機加工這行業(yè)，加工精度是掛在嘴邊的口頭禪，每天都要念叨幾遍，見著業(yè)內(nèi)的人聊天了，不出三句肯定也要提到加工精度。那么機床的加工精度到底是靠什么來保障的呢?
數(shù)控機床的加工精度最終要靠機床本身的精度來保證，數(shù)控機床精度包括幾何精度、定位精度、重復(fù)定位精度和切削精度。
幾何精度:又稱靜態(tài)精度，是綜合反映數(shù)控機床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。
定位精度:是表明所測量的機床各運動部位在數(shù)控裝置控制下，運動所能達到的精度。根據(jù)實測的定位精度數(shù)值，可以判斷出機床自動加工過程中能達到的最好的工件加工精度。是指零件或刀具等實際位置與標準位置(理論位置、理想位置)之間的差距，差距越小，說明精度越高。是零件加工精度得以保證的前提。
重復(fù)定位精度:是指在數(shù)控機床上反復(fù)運行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。是在在相同條件下(同一臺數(shù)控機床上，操作方法不同，應(yīng)用同一零件程序)加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。
切削精度:是對機床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項綜合檢查。
由上述可見，數(shù)控機床精度的高低分機械和電氣兩個方面，機械方面如主軸精度，如跳動、母線等;絲杠的精度;加工時夾具的精度，機床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環(huán)，全閉環(huán)等，還有反饋和補償方式、加工時的插補精度等。所以機床精度高低并不取決于機床是不是全閉環(huán)。
一、原理介紹
數(shù)控機床運動鏈包括數(shù)控裝置→伺服編碼器→伺服驅(qū)動器→電機→絲杠→移動部件，根據(jù)位置檢測裝置安裝位置不同，分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。
1、全閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)
將位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)安裝在機床運動部件(如工作臺)上，并對移動部件位置進行實時的反饋,通過數(shù)控系統(tǒng)處理后將機床狀態(tài)告知伺服電機,伺服電機通過系統(tǒng)指令自動進行運動誤差的補償。但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。另外像光柵尺、直線感應(yīng)同步器這類測量裝置價格較高，安裝復(fù)雜，有可能引起振蕩，所以一般機床不使用全閉環(huán)控制。
2、半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)
將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機的端部或是絲桿的端部，用來檢測絲杠或伺服馬達的回轉(zhuǎn)角，間接測出機床運動部件的實際位置，經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。由于機械制造水平的提高及速度檢測元件和絲桿螺距精度的提高，半閉環(huán)數(shù)控機床已能達到相當高的進給精度。大多數(shù)的機床廠家廣泛采用了半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
二、 實際應(yīng)用
1、全閉環(huán)控制系統(tǒng)
位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)有不同精度等級(±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm)，所以全閉環(huán)控制也會有誤差，定位精度高低受精度等級影響。
位置檢測裝置熱性能(熱變形)，測量裝置一般是非金屬材料，熱膨脹系數(shù)與機床各部件不一致，它是機床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以必須要解決機床加工過程中的發(fā)熱問題，以克服由于溫度引起的熱變形。高端機床會采用各種方式，如絲杠中空冷卻、導(dǎo)軌潤滑、切削液恒溫冷卻等方式來降低機床加工過程中的熱變形。
位置檢測裝置安裝也十分重要，理論上，越靠近驅(qū)動軸線(絲杠副)，測量越準確。由于受結(jié)構(gòu)空間限制，光柵尺的安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側(cè)，另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。推薦盡可能選取第一種安裝方式，但檢修和維護不方便。反之，選擇了高精度的光柵尺，而實際沒有達到數(shù)控機床所要求的精度。即使第一種情況，光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動軸線，但是安裝位置畢竟與驅(qū)動軸線有一定距離，這一點距離和驅(qū)動時物體的擺動相結(jié)合后，對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當驅(qū)動物體向光柵尺安裝側(cè)擺動時，光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號，而驅(qū)動物體馬上向另一側(cè)擺動，光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號，這樣反反復(fù)復(fù)運行，居然沒有改善數(shù)控機床各線性坐標軸的控制，反而加劇了驅(qū)動物體的振動，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。
生產(chǎn)環(huán)境影響:一般機械加工工廠環(huán)境比較惡劣，灰塵、振動是常見現(xiàn)象，但光柵尺、直線感應(yīng)同步器屬于精密元器件，工作原理是靠光的反射來測量相對移動位置，灰塵、振動恰恰是影響測量精度的最大因素。另外，機床在加工時，切削油霧、水霧比較嚴重，對光柵尺、直線感應(yīng)同步器影響非常大。所以要使用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了做好安裝密封外，一定要提高生產(chǎn)環(huán)境。否則，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，剛來的新機床精度不錯，但用了不到一年，不但精度下降，機床還經(jīng)常報警。
2、半閉環(huán)控制系統(tǒng)
由于將測量裝置安裝在電機或絲杠頂端，比較容易密封，所以對環(huán)境沒有要求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度誤差主要取決于絲杠的正反向間隙。隨著機械加工工藝的提高，目前進口絲杠的制造工藝水平較高，高精度的絲杠副配合基本消除了正反向間隙。另外在裝配環(huán)節(jié)，絲杠副采用雙列反向滾珠絲杠副，可以完全消除正反向間隙。另外，很多機床廠，在機床裝配時，將絲杠采用預(yù)拉伸方式，消除了機床熱變形對絲杠傳動精度的影響。所以目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠保證機床達到很高的精度。
三、 結(jié)論
綜上所述可以看出，在理論上，如果不考慮外部因素，全閉環(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會提高基礎(chǔ)的定位精度。但如果不能很好的解決機床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動、安裝等因素，會出現(xiàn)全閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時間內(nèi)可能會有效果，但時間一長，灰塵、溫度變化對光柵尺的影響，將嚴重影響測量反饋數(shù)據(jù)，從而失去作用。同時光柵尺出現(xiàn)問題后，會產(chǎn)生報警，造成機床不能工作。
中低端機床，由于考慮生產(chǎn)成本和競爭力，在全閉環(huán)控制的配套上都進行了簡化，例如密封、溫升控制等沒有很好的保障。在這種條件下，花較大的成本，單純的配置光柵尺并不能提高機床的精度。
注：此文章僅代表作者個人觀點
數(shù)控機床的加工精度最終要靠機床本身的精度來保證，數(shù)控機床精度包括幾何精度、定位精度、重復(fù)定位精度和切削精度。
幾何精度:又稱靜態(tài)精度，是綜合反映數(shù)控機床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。
定位精度:是表明所測量的機床各運動部位在數(shù)控裝置控制下，運動所能達到的精度。根據(jù)實測的定位精度數(shù)值，可以判斷出機床自動加工過程中能達到的最好的工件加工精度。是指零件或刀具等實際位置與標準位置(理論位置、理想位置)之間的差距，差距越小，說明精度越高。是零件加工精度得以保證的前提。
重復(fù)定位精度:是指在數(shù)控機床上反復(fù)運行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。是在在相同條件下(同一臺數(shù)控機床上，操作方法不同，應(yīng)用同一零件程序)加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。
切削精度:是對機床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項綜合檢查。
由上述可見，數(shù)控機床精度的高低分機械和電氣兩個方面，機械方面如主軸精度，如跳動、母線等;絲杠的精度;加工時夾具的精度，機床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環(huán)，全閉環(huán)等，還有反饋和補償方式、加工時的插補精度等。所以機床精度高低并不取決于機床是不是全閉環(huán)。
一、原理介紹
數(shù)控機床運動鏈包括數(shù)控裝置→伺服編碼器→伺服驅(qū)動器→電機→絲杠→移動部件，根據(jù)位置檢測裝置安裝位置不同，分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。
1、全閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)
將位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)安裝在機床運動部件(如工作臺)上，并對移動部件位置進行實時的反饋,通過數(shù)控系統(tǒng)處理后將機床狀態(tài)告知伺服電機,伺服電機通過系統(tǒng)指令自動進行運動誤差的補償。但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。另外像光柵尺、直線感應(yīng)同步器這類測量裝置價格較高，安裝復(fù)雜，有可能引起振蕩，所以一般機床不使用全閉環(huán)控制。
2、半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)
將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機的端部或是絲桿的端部，用來檢測絲杠或伺服馬達的回轉(zhuǎn)角，間接測出機床運動部件的實際位置，經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。由于機械制造水平的提高及速度檢測元件和絲桿螺距精度的提高，半閉環(huán)數(shù)控機床已能達到相當高的進給精度。大多數(shù)的機床廠家廣泛采用了半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
二、 實際應(yīng)用
1、全閉環(huán)控制系統(tǒng)
位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)有不同精度等級(±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm)，所以全閉環(huán)控制也會有誤差，定位精度高低受精度等級影響。
位置檢測裝置熱性能(熱變形)，測量裝置一般是非金屬材料，熱膨脹系數(shù)與機床各部件不一致，它是機床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以必須要解決機床加工過程中的發(fā)熱問題，以克服由于溫度引起的熱變形。高端機床會采用各種方式，如絲杠中空冷卻、導(dǎo)軌潤滑、切削液恒溫冷卻等方式來降低機床加工過程中的熱變形。
位置檢測裝置安裝也十分重要，理論上，越靠近驅(qū)動軸線(絲杠副)，測量越準確。由于受結(jié)構(gòu)空間限制，光柵尺的安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側(cè)，另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。推薦盡可能選取第一種安裝方式，但檢修和維護不方便。反之，選擇了高精度的光柵尺，而實際沒有達到數(shù)控機床所要求的精度。即使第一種情況，光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動軸線，但是安裝位置畢竟與驅(qū)動軸線有一定距離，這一點距離和驅(qū)動時物體的擺動相結(jié)合后，對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當驅(qū)動物體向光柵尺安裝側(cè)擺動時，光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號，而驅(qū)動物體馬上向另一側(cè)擺動，光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號，這樣反反復(fù)復(fù)運行，居然沒有改善數(shù)控機床各線性坐標軸的控制，反而加劇了驅(qū)動物體的振動，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。
生產(chǎn)環(huán)境影響:一般機械加工工廠環(huán)境比較惡劣，灰塵、振動是常見現(xiàn)象，但光柵尺、直線感應(yīng)同步器屬于精密元器件，工作原理是靠光的反射來測量相對移動位置，灰塵、振動恰恰是影響測量精度的最大因素。另外，機床在加工時，切削油霧、水霧比較嚴重，對光柵尺、直線感應(yīng)同步器影響非常大。所以要使用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了做好安裝密封外，一定要提高生產(chǎn)環(huán)境。否則，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，剛來的新機床精度不錯，但用了不到一年，不但精度下降，機床還經(jīng)常報警。
2、半閉環(huán)控制系統(tǒng)
由于將測量裝置安裝在電機或絲杠頂端，比較容易密封，所以對環(huán)境沒有要求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度誤差主要取決于絲杠的正反向間隙。隨著機械加工工藝的提高，目前進口絲杠的制造工藝水平較高，高精度的絲杠副配合基本消除了正反向間隙。另外在裝配環(huán)節(jié)，絲杠副采用雙列反向滾珠絲杠副，可以完全消除正反向間隙。另外，很多機床廠，在機床裝配時，將絲杠采用預(yù)拉伸方式，消除了機床熱變形對絲杠傳動精度的影響。所以目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠保證機床達到很高的精度。
三、 結(jié)論
綜上所述可以看出，在理論上，如果不考慮外部因素，全閉環(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會提高基礎(chǔ)的定位精度。但如果不能很好的解決機床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動、安裝等因素，會出現(xiàn)全閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時間內(nèi)可能會有效果，但時間一長，灰塵、溫度變化對光柵尺的影響，將嚴重影響測量反饋數(shù)據(jù)，從而失去作用。同時光柵尺出現(xiàn)問題后，會產(chǎn)生報警，造成機床不能工作。
中低端機床，由于考慮生產(chǎn)成本和競爭力，在全閉環(huán)控制的配套上都進行了簡化，例如密封、溫升控制等沒有很好的保障。在這種條件下，花較大的成本，單純的配置光柵尺并不能提高機床的精度。
注：此文章僅代表作者個人觀點