姚映涵

山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西太原 030024

數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

姚映涵

山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西太原 030024

數(shù)控機(jī)床在社會(huì)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，尤其是以機(jī)械化為主的現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)?，F(xiàn)階段，數(shù)控技術(shù)已成為我國工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展過程中一項(xiàng)不可或缺的生產(chǎn)技術(shù)。為促進(jìn)數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用，本文主要從誤差補(bǔ)償?shù)亩x及誤差分析，數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)與數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用三方面進(jìn)行論述。

數(shù)控機(jī)床；誤差補(bǔ)償；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用

近年來，隨著數(shù)控機(jī)床發(fā)展的日益迅速和應(yīng)用的日益廣泛，其加工精度已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。數(shù)控技術(shù)是一項(xiàng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子處理技術(shù)、自動(dòng)化、信息處理等多種現(xiàn)代化信息技術(shù)于一體的制造技術(shù)，具有自動(dòng)化、高精度、高效率等特點(diǎn)。由于數(shù)控機(jī)床在加工過程中總是伴隨有誤差的產(chǎn)生，而使得機(jī)床的加工精度受到一定程度影響。所以，為提高數(shù)控機(jī)床加工精度，減小加工誤差，就需要在實(shí)際應(yīng)用中采取關(guān)鍵技術(shù)對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

1 誤差補(bǔ)償?shù)亩x與誤差分析

1.1 誤差補(bǔ)償?shù)亩x

誤差是現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象，它雖然不能夠完全消除，但卻可以得到有效的降低。其中誤差補(bǔ)償就是減小誤差的一個(gè)有效方法，也是現(xiàn)代應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)誤差控制方法。所謂誤差補(bǔ)償，是指以人為的方式去制造出一種新的誤差來抵消或減弱成為問題的原始誤差，并在掌握原始誤差特點(diǎn)和規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、歸納等方法建立出誤差分析數(shù)學(xué)模型，以盡可能使人造誤差與原始誤差在數(shù)值上相近或相等，在方向上相反，從而達(dá)到減少加工誤差，提高零件加工尺寸精度的目的。工程性與科學(xué)性是誤差補(bǔ)償所具有的兩個(gè)主要特性[1]。

1.2 數(shù)控機(jī)床的誤差分析

誤差分析是數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償整個(gè)過程中的基礎(chǔ)與前提。只有優(yōu)先對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差及其產(chǎn)生原因進(jìn)行深入的了解與分析，對(duì)誤差的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行充分的考慮，全面準(zhǔn)確掌握誤差的性質(zhì)與各誤差之間的關(guān)系，才能夠制定出有效的誤差補(bǔ)償措施，才能夠保證選擇的誤差補(bǔ)償技術(shù)是適合的、有效的。通常，誤差分析可以從兩方面入手：第一，誤差產(chǎn)生的原因。主軸、床身、立柱和各種旋轉(zhuǎn)軸是一般數(shù)控機(jī)床的幾個(gè)關(guān)鍵組成部分，而每一個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生誤差，所以數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生的原因主要有數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差、切削力、刀具磨損、熱變形、機(jī)床裝備誤差、夾具誤差、機(jī)床部件的幾何誤差等。第二，誤差的分類。從誤差性質(zhì)分析，誤差可以分為動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差；從誤差補(bǔ)償角度對(duì)數(shù)控機(jī)床的分類分析，其又分為位置誤差和非位置誤差[2]。

2 數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

2.1 建立幾何誤差與熱誤差綜合數(shù)學(xué)模型

以一臺(tái)具有雙主軸和四根運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)控機(jī)床為對(duì)象，由于有兩個(gè)主軸所以需要建立2個(gè)誤差數(shù)學(xué)模型；由于采用齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)化法對(duì)誤差數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，所以為了計(jì)算工件與刀尖之間的誤差必須要建立一系列坐標(biāo)系，其中應(yīng)包括固定坐標(biāo)系和可移動(dòng)坐標(biāo)系，以便坐標(biāo)可以隨著主軸與機(jī)床熱變形的移動(dòng)而移動(dòng)。誤差數(shù)學(xué)模型建立好之后，需要對(duì)誤差進(jìn)行綜合計(jì)算。首先，將兩主軸刀尖的位置在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中表示出來，然后將其分別轉(zhuǎn)換到中拖板坐標(biāo)系之后，再轉(zhuǎn)換到大拖板坐標(biāo)系中，最后轉(zhuǎn)換到數(shù)控機(jī)床的固定坐標(biāo)系中。相對(duì)于固定坐標(biāo)系，通過相關(guān)計(jì)算公式可以得出刀尖的誤差[3]。工件誤差計(jì)算與刀尖誤差計(jì)算的原理相同，即將兩個(gè)工件表面正處于被切削點(diǎn)的位置在相應(yīng)坐標(biāo)系中表達(dá)出來，最后轉(zhuǎn)換到固定坐標(biāo)系中，通過相關(guān)計(jì)算公式得出工件的誤差。由于刀尖點(diǎn)與工件的正被切削點(diǎn)為同一點(diǎn)，所以將位置坐標(biāo)、誤差元素等有關(guān)內(nèi)容帶入到綜合誤差計(jì)算公式中，可以分別得出兩個(gè)主軸的綜合誤差。通過對(duì)該綜合誤差分析可以判斷出該機(jī)床是否含有能夠影響機(jī)床加工精度的誤差存在以及誤差數(shù)量的多少。

2.2 主軸熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)

主軸熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)是依據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，通過利用PMAC控制卡對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)代碼進(jìn)行修改增加實(shí)時(shí)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。該技術(shù)的補(bǔ)償原理是在數(shù)控機(jī)床的熱關(guān)鍵點(diǎn)布置一臺(tái)智能溫度傳感器，用以對(duì)機(jī)床的溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集的溫度信號(hào)經(jīng)過ARM處理器處理后，經(jīng)由相關(guān)接口將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到PC端，PC機(jī)將接收進(jìn)來的溫度值帶入事先建立好的主軸熱誤差數(shù)學(xué)模型，從而估算出熱誤差補(bǔ)償值。將該誤差補(bǔ)償值帶入到數(shù)控機(jī)床的控制器中，控制器根據(jù)原數(shù)控程序設(shè)計(jì)的坐標(biāo)值和帶入的誤差補(bǔ)償值所進(jìn)行的實(shí)時(shí)控制刀架附加進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來對(duì)主軸熱變形誤差進(jìn)行修正，最終達(dá)到減小誤差、提高機(jī)床加工精度的目的[4]。

3 數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

熱變形是數(shù)控機(jī)床誤差主要來源之一，尤其是機(jī)床的主軸，經(jīng)常會(huì)因轉(zhuǎn)速升溫過高而產(chǎn)生熱變形誤差，從而對(duì)機(jī)床加工精度造成直接影響。本文以FB260重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床為研究對(duì)象，對(duì)熱變形誤差補(bǔ)償技術(shù)在其中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

為減小該數(shù)控機(jī)床的熱變形誤差，工作人員采用SIEMENS 840D系統(tǒng)建立溫度補(bǔ)償機(jī)制，并運(yùn)用PLC編制溫度補(bǔ)償程序。溫度補(bǔ)償硬件設(shè)計(jì)的核心是利用熱敏電阻將電流或電壓值輸入到溫度傳感器模擬輸入信號(hào)模塊，經(jīng)過PLC程序處理后產(chǎn)生溫度補(bǔ)償值，傳送給數(shù)控系統(tǒng)，最終完成溫度誤差補(bǔ)償。該機(jī)床安裝的WZP035型號(hào)熱敏電阻傳感器，溫度測量范圍在0℃到300℃之間，符合重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床6℃到46℃使用溫度區(qū)間的要求。補(bǔ)償程序主要用于將溫度傳感器中的溫度模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。由于在不同溫度下所產(chǎn)生的誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)也不相同，這就需要對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行篩選和分析，并將建立好的函數(shù)模型轉(zhuǎn)化為PLC能夠識(shí)別出的公式，將測量出的溫度值帶入該公式進(jìn)行計(jì)算。溫度補(bǔ)償?shù)木唧w步驟為：首先，利用相關(guān)軟件工具生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，將該數(shù)據(jù)塊傳送到數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序中對(duì)其進(jìn)行編寫[5]。然后，通過數(shù)控系統(tǒng)提供的功能模塊向?qū)?yīng)參數(shù)變量定時(shí)寫入當(dāng)前經(jīng)過計(jì)算的斜率，運(yùn)行程序后即可完成該數(shù)控機(jī)床的熱變形誤差溫度補(bǔ)償。

4 總結(jié)

綜上所述，采取誤差補(bǔ)償技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床加工精度是推動(dòng)我國工業(yè)快速發(fā)展的有力工具，是提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品性能、擴(kuò)大機(jī)床使用范圍的重要前提。隨著數(shù)控機(jī)床誤差研究與分析的不斷深入，相信未來會(huì)出現(xiàn)更多更有效的誤差補(bǔ)償技術(shù)。

[1]孫明陸.數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2012.

[2]曹永潔，傅建中.數(shù)控機(jī)床誤差檢測及其誤差補(bǔ)償技術(shù)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007（04）：38-41.

[3]劉又午，章青，王國鋒，等.數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展動(dòng)態(tài)及展望[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1998（12）：8-9+24.

[4]萬海波.數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)性能劣化分析及誤差補(bǔ)償技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2011.

[5]景宏令.數(shù)控機(jī)床幾何誤差分類與建模技術(shù)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2014.

TG659

A

1674-6708（2015）148-0090-01

姚映涵，研究方向：機(jī)械類機(jī)電一體化