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世界上精度最高的机床是怎么制造出来的?

世界上最精密的机床零部件,例如丝杆导轨,轴承,刀具确实是手工刮研加工出来的。

但是大部分人都有疑问?高精尖的数控机床,以及高精密的装备的精密度是怎么做出来?

从我个人熟悉的工业机器人方面说一下。

各类数控机床精度是如何确定的?

我们经常能听到,五轴磨床,铣床,五轴加工中心,这种说法。这个5轴对应的是伺服电机驱动的丝杆,导轨,形成一个空间的运动结构。

由于加工中心内部,大部分是看不到的,所以不少人理解不了多轴的概念。

下面用裸露在外面的可以看到的,机器人结构作为说明。

这个图就比较直观的能看到,所谓的5轴是一个什么概念。

三坐标结构:就是XYZ三轴,最后一轴直接接上一个工艺装置,例如点胶头,或者是锁螺丝装置。

这是三坐标结构,三坐标是所有轴都是固定的结构。

四轴结构,是带有一个导轨,可以滑动的结构。例如上图5轴机器人中的最上面部分。

这个可以滑动的部分,就是四轴相对三轴多出来的一轴。也有四轴是旋转轴。如下图

五轴,6轴,又是在哪里呢?

不管是数控机床,工业机器人,都是关节型结构,也就是控制滑动的轨迹,向前向后,向左向右这类型的直线滑动,以及圆弧的动作,都是直线,或者旋转动作复合后呈现出来的。(有学过高中物理,复合运动概念)

接下来这就到了重点的地方了!

计算一个机床的精度,一般有两种精度,一个叫绝对精度,一个叫重复定位精度。

(1)绝对精度的含义,通俗理解就是:硬件层面,伺服精度,减速机精度,轴承传导精度,组装在一起后,点到点的测量得到的精度。

你可以理解为,我指定机器人到坐标(0,1,1)点,最后机器人也向那个方向移动了。但是测量结果是偏差了0.01mm。这就是绝对精度是0.01mm。

绝对精度在应用中一般不常用,它主要是设备厂商自己出厂检测产品的时候使用。用来确定设备是否合格!

在加工产品的时候,我们经常看到的精度,其实是重复定位精度,也叫MTBS(有的地方有这个参数字样可以去看一下)。有没有企业会宣传绝对精度,这肯定是有的,但是绝对精度确实没法在工作中使用。这种宣传多数是噱头。

(2)重复定位精度,其实就是末端的执行机构,例如带有刀具的主轴,他在运行10000次中,平均到达目标点的误差。

你可以想象一下,一个不断工作的设备,各个轴都在运动,尤其是精雕机这种高速运动的机床。不断运动加工产品,他的精度怎么保证?单纯的依靠硬件的刚性来保证?所有的硬件都是会被磨损的。那么怎么办?

用算法进行纠偏!也就是用软件来做补偿,弥补在硬件运动中偏移的量。

数控机床在算法层面,都是有一个坐标系的,同时带有编码器或者激光距离传感器。这种传感器本身误差是很小的,并且精度非常高。

这些设备在运行中,会实时的反馈位置,根据各关节传感器带来的位置测量,计算出最后主轴的实际位置与设定位置的差距,来进行算法纠偏。也就是把硬件损耗,给弥补上。

这就是在实际的数控机床上面,控制精度的方式。


题主这里说的,如何加工出世界上最高精度的机床,以及机床零部件。其实片面的将绝对精度给方大了。

这其实就是相当于上面上说的绝对精度概念。但是绝对精度在实际生产中不作为参考标准使用。正如我们说的,所有的零部件的绝对精度都是0.001mm,但是组装起来后,他一定就不是0.001mm。这就是组装误差。当然还包括材料误差。

组装后影响他们精度的原因,例如材料刚性。

例如钢尺子,很直对吧,但是刚性底,如果放一个重物就会变形,就没有所谓的精度了。

还有温度,也是影响材料刚性的关键。

因此,用上面大量篇幅费力的讲精度的问题,就在说明一个事情。那就是即使你做出绝对精度非常高的零部件,你不一定能做出高端的数控机床!

但是没有超高精的零部件,肯定是没有高端数控机床的!

最典型的产品,就是前两年,国内市场一直讨论的:工业机器人的减速机,中国一直无法生产。全球的减速机都被日本两家企业垄断了。(现在可以生产了)

机器人减速机组成部门,都是各类齿轮,轴承。


那么接下来就可以说,高精尖机床和高精尖的零部件这个“鸡生蛋,还是蛋生鸡”的问题了!

工业生产是一个“往复”加工,不断调整的过程。

第一台机床很粗糙,但是在加工了粗胚之后。这个粗胚可以是应用于机床的零部件。这个粗胚想要再进一步的提高绝对精度,在没有机床的情况,就需要手工的刮研。

手工刮研,说的通俗一点,就是一点一点的划去突出的部分,慢慢的找平。

这个过程是一边刮,一边测量。看清楚了是一边刮,一边测量。不能一直刮,不然那就是在刨坑。

这个过程可以达到非常高的精度,可以达到0.0025mm以上。

工业中,一般将0.01mm叫做一个丝,这个0.0025mm,是一个丝的四分之一。

刮研是提高我们最开始看到的机床的丝杆,导轨的主要手段。这也就说回来了。手工是提高机床精度的唯一办法。

这也就说没有手工刮研,就没有高端机床。高精尖机床,可以生产高精尖的东西,是因为在绝对精度的零部件组装后的基础上,还有代码的补偿功能。

理论上重复定位精度可以无限接近绝对精度,但是有很大难度。

这里也就拓展一下说,为什么中国数控机床做不到,超高端。

问题之一也就处在算法工艺的积累上面,国内的数控系统还是处于中低端水平。

至于,有没有零部件的问题,那肯定也是有的。只是谁的限制大?算法的限制当前最大。

机床只能加工出比机床本身精度低的部件,所以要生产精度更高的部件或者机床,就需要在机加工后对导轨,平面等精度控制部位进行手工刮研作业,手工刮研不会产生形变和热,是精度最高的生产工艺,但也是效率最低的生产工艺,但也是唯一的提高精度的方式!任凭你的机床号称精度再高,生产这个高精度机床的母床也是手工刮研出来的,不然一切都白搭

为什么中国数控机床做不到,超高端。
问题之一也就出在算法工艺的积累上面,国内的数控系统还是处于中低端水平

刮研不是精高级,而是中低级,高精为研磨。用不同手法将几何尺寸达到超镱面光度。误差为0.0OO2毫米,即微米级。我曾将一个三维度五工位孔座标镗加工偏差o.05偏差调控五个中心位偏移为0.OO5。也曾将三维空间三孔座标尺寸由σ.O5调整为0.02。三点空间聚点差小于发丝的五分之一。这些初始母机精度全由人工刮研,或修整式研磨完成。现在掌握这些技能的工匠己越来越少。

老牌帝国主义们看了估计都要笑死了。基本概念是,有四种最的基本机械技术:长度测量、几何精度、圆度及圆柱度、角度。要想做好机床,做好这四件事是基础,而且有很多理论书可以看的,比如机械手册里面就有。好好看书比瞎想靠谱多了

最高端精密的母体核心零件都是手工做出来的,记住这句话就行了。国内很多大型国企有手工技术大牛,可惜在中国这样的环境下是生产不出顶尖设备的。人才大把的有,就是没有发挥的空间,而且这样的人工资低,说起都没有意义。那些老师傅听声音就知道问题出在哪里怎么去解决,可惜帮不了中国的工业发展。.

零件能够综合误差。零件的精度不够,组合出来的机床精度不一定不够。比如外圆磨,只要顶尖和工件的中心孔精度好,加工出来的轴圆度可以很轻松地达到0.002以内

技术工人用手工修整的零件才能达到精度最高,全世界都通用。唯一不同的地方是社会地位,这也是祖传三代干同一件事和老子不让儿子接自己班两种社会现象产生的根本原因。

有一次销售经理脑子抽了接过个精度千分之一毫米主轴加工的活。可是厂里精度最高的加工中心这那两年只能达到千分之三。最后是用加工中心加工到千分之三,然后我师傅手工打磨了三天才完成。基本就是拿千分尺测量一下发发现哪一款不合格就用砂纸磨。简单粗暴

刮研不是最高的境界,最高境界是手工研磨,坦克配件厂,角度盘,研磨师,多是5年才能出师的,五年风雨无阻,手工研磨出的360度角度盘,每度可惜精确到3600/1精度超过了现有的检测仪器,牛到不行。刮研导轨只不过是他们日常入门技能而已

不管是用机械还是手工,只要保证两个原则就能做出精度极高的零件。第一,能检出来才能做出来;第二,设计迭代工艺,每加工检测一次,都能保证精度提高一点,循环下去精度就会不断提高到很高的程度,就像数学上的用级数进行函数逼近。

吹手工刮研的都在强调手工,而没有人说说其背后的原理。仅仅是是手工就能达到高精度吗,仅仅靠手工一铲一铲地刮就能得到高精度的表面吗?任何事情都要弄懂原理,才能有所创新创造,否则永远只能做底层的机器

机床导轨的精度决定了造出来的零件的精度不会高过导轨精度,每次导轨精度的提高,都会使原来机床的成本降低。最高级的导轨都是手工造出来的。测量精度只是测量,比如能测量千万分之一级别的,可找不出来,测量有用吗?

其实低精度机床是可以加工出比它高精度的零件的,就是配合测量工具和使用单向推进加工方式。我们都知道,误差有±误差,误差精确位数就是零件精度,当所有传动只往一个方向运动时,那么就只存在一个稳定性累积误差,使用测量工具,通过测量实际工件尺寸,对比机床标称行进尺寸,就能得出稳定性误差值,这样就可以加工出高精度零件。所以这里就涉及到两个问题,高精度测量仪器,和单向运动进给配合。而且机床还必须是手动摇的,不能是自动化机床,自动化机床使用伺服电机是动态稳定,不能保持单向运动进给。

既然机床加工出零件的精度永远低于机床本身的精度,那高精度的机床是怎么产生的呢?这是一个比较复杂的问题,听起来像是一个悖论的循环。实际上这个问题在我读书的年龄,就有在书中见到,记得那时就有人提出,第一台机床是怎么产生的?精度是多少?难道第一台机床精度最高吗?

其实机床精度的提高有一个循环的过程,是一种螺旋上升的过程,也就是一个不断的修正和补偿来提高精度的过程。我记得那时的书里就是这么说的。

我记得那本书里说的例子是丝杠的螺距,一根丝杠,低精度的机床加工出来,螺距之间尺寸是不等的,任意两点之间的螺距误差都比较大,但在一个范围之内,这个范围就是误差,实际就是精度,那么怎么拿它做出来一个比它精度高的丝杠呢?于是就提出了一个方法,就是进行修正和补偿,对于正偏差采取人工修磨,负偏差采取加大螺母的长度,覆盖影响精度的负偏差,使其能提取出大部分精度好的样本,制作出精度更好的丝杠。如此不断的循环往复,就可以造出精度更好丝杠。

这个原理和加工一个平台,通过一个小的样块,不断的对比刮研使平面精度越来越高原理是一样的。

所以精度能不断提高的精髓在于人工的修正和补偿,没有人工的干预,当然不能造出高于机床精度的产品。

这是机床发展早期使用的方法,有它的发展极限,到达这种方法提高精度的极限之后,就要寻找新的方法,因为影响精度的因素这时候也变了,所以方法就失效了。

后来就兴起了材料科学,使用适合的材料来提高精度,比如低温度系数材料,耐磨材料,低时效材料等,进一步提高机床的精度。

随着近代各个周边科学技术的不断发展,机械制造领域的测量手段不断提高,动力驱动系统的数字化,就进入了通过计算机软件和高精度的测量手段,通过机械补偿动作提高精度的阶段,使机床的加工精度进一步提高。

机械加工精度依赖于基础的线,面,园等基础线和面的精度,最基础的基准,来自于水平和垂直,这两方面的测量手段每提高一次,相应的机床的设备就有了新的目标,尤其是大型设备,精度就会再得到一次提高。

‘有公司用5纳米集成电路光刻机做芯片,对机械托盘结构描述那个实际状态,它是飘在一个液体隔离的承台上,保证隔离了基座振动,且无摩擦,完全没有蠕动,只需保证能够稳在那里,不可控范围是一个纳米即可。操作移动时是一个微米以上了 ,并且,尽可能降低刀具运动速度,降低刀架移动速度,最大限度降振,以低速换精度,这样提高的精度自然比母机高。且从极端的要求设备工艺来看,这些机械绝不是做出来就是几个纳米的精度,而是用其它电子机械方法调出来,达到要求的。所以不要以为纠结蛋和鸡的关系就会了解全部,还有其他方法的,那就更需要我们全面了解 。

低精度的加工机床和工具是可以加工出高精度的零件的。


怎么办到的呢,在我详细说明之前,先澄清一个误区。

总有人说高精度的零件不是机床加工出来的,都是手工,我咋不信呢,谁那么牛出来给我手工做个轴出来!不用精度太高的,就下图这种随便放地上连报纸都不包这种的就中。虽然有的时候手工精度很高,比如大平面平面度的修正,但大部分精度都是靠机械实现的。


下面回到正题,大家认为实现高精度零件必须用更高精度的机床设备是对精度的误解。什么是精度,机械设计中用公差的概念对精度进行了量化。机械零部件设计图纸都有个重要参数叫做公差,公差范围越小也就相对精度越高。

上图标注尺寸中括号里的就是公差,括号外边那个叫做基本尺寸。上图这个加工个直径30毫米的孔,这个30毫米就是基本尺寸,精度要求多高呢?就是最小就是30mm,最大不能超过30.033mm。

如果批量加工,一定要求加工设备,刀具等的尺寸可以满足上述要求。满足不了就会产生大量的废品,为啥我要说大量呢,因为量真的很大,哈哈!开个玩笑,说大量是因为不会全是废品,因为说不定有碰巧在合格范围内的!

还拿上面这个图纸做例子,上面这个孔要求范围是30mm至30.033mm。假如都是合格的,我们加工一万个,有没有可能在其中找出几十个30mm到30.022mm间的零件呢?这种可能性是有的,那么单独看这部分是不是公差范围变小了,精度变高了呢?

这种方法其实就是由粗变精的一条途径,筛选。用精度不高的设备加工出公差范围比较大一批零件然后筛选出公差范围符合设计要求的零件使用。筛选法成本比较高。


再说一种方法。我们看见机床等加工设备有定位精度,比如下面这个铣床。我刚毕业的时候就在我国最大铣床生产企业上班,所以对铣床有感情,看着特别亲切,所以拿来当例子,车床磨床,镗床转床啥的也是一样的。

它的工作台移动是通过摇手柄实现的,手柄上有刻度盘,想要工作台移动多少,就看这个刻度盘。

人眼有误差,还有刻度盘也有误差,机床传动部件有间隙等等原因。当我们对准刻度盘上的190的时候,实际尺寸可能是在190左右变动,这个变动范围就是机床的定位精度。普通铣床大概是0.02毫米,南方叫两丝,北方叫两道。那么这台机床可不可以大量的加工出精度更高一些的零件呢,答案是可以的。

那就是人工矫正误差,比如我加工一个零件,加工完测量,啥时候精度范围符合要求了,我把机床手柄位置固定不动了,然后大批量加工。专机生产线就是这种思路。

数控机床高精度除了机械部件精度更高以外,还引入了实时测量补偿的方法来提高精度,原理本质上和人工矫正误差也差不多。


再啰嗦一点测量工具的问题,可以对粗糙到精密有更深的理解。现在精度较高的测量都是光学测量,就是用光反射来测量,不用接触,可以有效地避免变性引起的测量误差。

而手工常用的游标卡尺和螺旋测微器都是用粗糙实现精密度的巧妙构思。原理主要是放大读数,上边那个机床刻度盘也采用这个原理。下面说一下游标卡尺的读数方法,大家理解一下。

游标卡尺是由主尺和附在主尺上能滑动的游标两部分构成。

游标卡尺是利用主尺上的刻线间距(简称线距)和游标尺上的线距之差来读出小数部分,例如:游标尺上有50个小的等分刻度它们的总长等于49 mm,因此游标尺的每一分度与主尺的最小分度相差0.02 mm。

主尺和游标尺两者的零刻线相重合,若游标尺移动0.02毫米,则它的第1根刻线与主尺的第1根刻线重合;若游标尺再移动0.02毫米,则它的第2根刻线与主尺的第2根刻线重合。

依此类推,可从游标尺与主尺上刻线重合处读出量值的小数部分。

总结一下,把49mm分成50等份精度并不需要很高,实质上和把50mm分成50个等份差不多,然后把两个尺的0刻度重合,这个也不需要太高的精度。完成这两步,测量精度达到了惊人的0.02mm。构思很精巧吧!


用低精度实现高精度的方法还用很多,但每一种方法也不是可以无限提高精度的,精度保证还是跟加工母机也就是机床精度相关,可以比母机高,但还是受它的限制。所以精度的不断提升也是一个工业积累的过程。

世界上只要是非自然的东西都是从无到有的,现代科技也是一样的,现代科技发展越来越高端,但是回头去看看过去几十年前的东西,你会发现过去的东西真是太粗糙了,但是现在精密高端的东西都是从那些粗糙的科技产品的基础上慢慢进化而来的,也就是说现代的科技产品是过去产品的升级进化版,没有过去的产品做基础也就不会有现在的高科技。

机床加工可以说是现代工业之母,是所有科技工业的基础,所以机床工业和材料科学都是科技之母,在过去是这样,现在也一样是这样,而最开始的时候没有工业机床,最开始的工业机床是人的手工打磨制造出来的,然后经过慢慢的人机结合的努力下,机床工业水平才在原来的基础上慢慢提高,原始机床的基础加工上经过人工的细心修正获得的更高精度。

机床的最早发展史可以追溯到十五世纪,由于钟表生产维修和战争武器制造需要,所以出现了钟表工螺纹车床和螺纹加工机床,以及水力驱动的炮筒镗床,意大利人列奥纳多.达芬奇就绘制过螺纹机床,车床,以及炮筒镗床图形草图,中国明朝的《天工开物》也记载了磨床的结构图,真正的机床发展在工业革命的时候。

十八世纪工业革命发展推动了机床的进步和改革,1774年英国人发明了较为精密的,整个工业革命在十八世纪都是欧洲人主导,最基础的工业精密机床就是这个时候产生的,十九世纪的第二次工业革命是电气化带动机床发展,直到20世纪才真正转移到美国,这个时候的精密机床已经不在是欧洲的专利。

十九世纪的时候,机床已经进化的精密程度,远超过去的机床,在原来的基础上人们通过机器加工零件,人工进行精密打磨,制造出来了更精密的机床,配合着电气化一起使用,到了二十世纪前半段,世界机床其实已经进入了半自动化的阶段,这个时候的机床其实精密度已经非常高了机床的精密度跟零件加工打磨和材料以及安装有直接的关系。

真正进入精密化阶段是二十世纪美国发明的重型磨床,使用的是金刚砂制作的砂轮,这个时候的机床使用还是靠人工细心操作,世界上第一台数控机床是美国人发明的,在1951年的时候,世界上第一台数控机床诞生,使用的是电子管控制,1958年美国人发明了世界上第一台能自动更换刀具,以进行多工序加工的加工中心,1968年英国人研制出来世界上第一台自动化数控机床生产线,从此世界进入了精密自动化的时期。

我来解答你这个问题

1,一台设备的精度不仅取决于单个零件的精度,还要取决于装配的工艺。 国外先进的设备,先进的机床,他的加工精度就很高,为什么在国内拆解,重新装配过后的精度就不能恢复呢,就是因为他有比较先进的,独特的装配工艺。

2,高精度的零件有时不是设备加工出来的,而是人的手工加工出来的,所以加工设备精度的高固然能够加工出高精度的零件,而设备达不到精度,只有人工来完成。所以国家为什么提倡工匠精神,设备容易制造,而高技能的技能人才是需要长期的培养,长期的磨练才能达到要求。这也是像日本,德国发达国家人工成本很高的原因。而中国恰恰在这方面是一个弱势,中国在发展高技能人才方面还有很长的路要走。

3,现代的先进设备都是集机电一体化的综合设备,要想这个设备具有很高的精度和稳定性,那么就必须在机电方面达到相当的协调,机械达不到的要求,可以有电气来弥补。

4,高精度机床的制造,需要做很多基础性的研究,基础性的试验,比如说,热稳定性材料的研究,热处理的研究,都需要一个长期的过程。谁掌握了这些基础性的数据?那么,谁在高精度设备研究制造方面就占有优势。

有关机床设备的问题,欢迎大家一起共同探讨。




先机械加工到一定程度再手工修正,就这样一代一代的升级上去,那些认为一台机床可以加工出比自身精度高的零件的人都是外行或者行内白痴。如果有人不服觉得手工精度比不上机床的话,那就请他用机床加工个“绝对平面”试试,如果不懂可以自行百度

我是电子及工控技术,我来回答这个问题。我们常常听说机床是制造机器的机器,它有“工作母机”的美誉。在加工零件时要使零件的精度提高,除了机床本身的加工精度要高,操作者的加工工艺方法也很重要。如果是数控机床的话影响机床的精度因素会更多,由于本人对车床的加工过程比较熟悉,下面针对车床这种加工机械方面的精度来谈谈我对这个问题的理解。

机床的加工精度

其实在实际的机械加工中零件的加工精度要取决于两个方面,一个方面是机床的精度,机床的精度除了需要各个机械结构的配合之外,还需要在组装完成之后进行机床的调试才能达到应有的精度,我们在机床维修时都需要与机械加工师傅进行配合进行电气与机械方面的联调使机床达到精度的要求,这说明机床的精度校调的重要性和工艺方法的重要性。另一个方面是用机床加工零件的精度还要取决于机械加工操作者的加工技术,包括加工工艺的应用等。有技术经验高超的机械加工师傅加工出的零件要比机床的精度要高出一个精度,这就说明零件的加工精度是机械与人相结合的产物。这就像先进的武器一样是需要武器的性能和人操作技术的高度结合才能发挥其最大的优势。

数控机床的加工精度

对于数控机床的加工精度是需要系统软件控制系统、机械各个部件的密切配合以及操作加工者的加工工艺技术这三个方面的结合才能加工出精密的零件。在机床的精度性能方面有定位精度和加工精度,定位精度和加工精度除了系统性能外还要由伺服系统及丝杠的传动机构来保证。其高精度的机床有的可以达到0.001毫米的数量级甚至更高的数量级。除了机床本身人的加工操作技术也很重要,例如每年举行的各类机械加工大赛参赛者所使用相同的机床去比拼谁加工的零件精度高。这里就要对参赛者的加工工艺方法、软件算法工艺程序的编写、使用工具的测量方法等更方面进行比较了。

数控精度更高的机床是如何制造的

对于世界上更高精度的机床是如何制造的,按照当今世界机床精度制作比较高的国家一般公认为是日本和德国的机床是出于第一梯队的。比如5轴联动高精度机床的制作,有的部件是需要人工加工才能够解决它的精度问题,这些人都是大师级的机械加工人才。以前我在电视上看到“大国工匠”节目,里面就介绍了一些在机械加工中有高超技术的机械加工大师,他们加工的特殊机械零件其精度要超过数控机床的加工精度。在一些特殊的高精度机床上所用的特殊部件一般都是用人工加工的。因此高精度的机床特殊部件也是通过人工制造的。

以上就是我对这个问题的见解,说的不到之处敬请批评指正,欢迎朋友们参与讨论这个话题,敬请关注电子及工控技术,感谢点赞!