嚴 磊

（南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州225300）

0 引言

數(shù)控技術(shù)帶動了我國工業(yè)生產(chǎn)、機械制造事業(yè)的效率與質(zhì)量革新，數(shù)控機床的加工精度表征了我國工業(yè)化發(fā)展水平。其中，數(shù)控銑床是生產(chǎn)高精密零件的關(guān)鍵設備之一，但由于各種機械內(nèi)部與生產(chǎn)環(huán)境外部因素影響，或多或少的存在加工誤差。數(shù)控銑床的各種誤差中，幾何誤差較為常見且對零件加工的干擾力較大，是數(shù)控銑床誤差的最關(guān)鍵因素；數(shù)控銑床在長期循環(huán)工作環(huán)境下容易產(chǎn)生熱變形進而形成零件加工的熱誤差，是零件表面加工質(zhì)量不過關(guān)、加工精度低的主要原因[1]。為此，本文針對數(shù)控銑床的幾何誤差故障與熱誤差故障進行深入探究，并制定了針對性的誤差補償對策，經(jīng)過實際測試應用驗證了誤差補償方法的有效性。

2 數(shù)控銑床精度校正方法

2.1 基于幾何誤差的精度補償方法

1 數(shù)控銑床加工精度故障及產(chǎn)生原因

數(shù)控銑床加工精細零件過程是刀具、工件、機床、操作系統(tǒng)等軟硬件的綜合運用于協(xié)作配合的過程，難免由于某個環(huán)節(jié)操作不當引起銑床加工精度故障，增加零件加工的誤差，諸如幾何誤差、熱誤差、控制誤差等等[2]。數(shù)控銑床運行誤差將直接導致加工工件精度波動，影響產(chǎn)品加工質(zhì)量。根據(jù)實際生產(chǎn)與加工經(jīng)驗初步總結(jié)了引起數(shù)控銑床精度故障的幾種原因：（1）刀具引起的誤差。數(shù)控銑床加工精度受到刀具因素干擾，如使用不當、制造不合格、安裝不達標導致道具與工具產(chǎn)生非正常作用，刀具在受損情況下導致加工過程波動較大，形成加工誤差[3]。（2）工裝和夾具誤差。未通過質(zhì)量檢驗標準的工裝和夾具會導致加工誤差，這是生產(chǎn)環(huán)節(jié)誤差致因；工裝和夾具安裝過程中可能存在安裝程度不貼合、不到位等問題，也容易引起數(shù)控銑床的加工誤差。（3）熱變形誤差。數(shù)控銑床工作主軸傳動、機床運動摩擦、電氣系統(tǒng)運行產(chǎn)生的熱量為內(nèi)部熱變形因素，生產(chǎn)環(huán)境中溫度升高為外部熱變形因素[4]，內(nèi)外因皆可引致加工誤差。（4）數(shù)控系統(tǒng)誤差。數(shù)控銑床的自動化與智能化源于數(shù)控系統(tǒng)的應用，但是數(shù)控系統(tǒng)中伺服進給模塊、CNC 控制模塊、位置檢測模塊在長期運行狀態(tài)下容易發(fā)生老化失靈，直接引起零件加工誤差增加問題。

本次研究基于激光干涉儀檢測數(shù)控銑床的幾何加工誤差，目的是計算數(shù)控銑床加工的“螺距誤差”與“反向間隙”[5]；數(shù)控銑床控制器將這兩個參量作為誤差補償值的計算依據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)控銑床幾何誤差的補償控制，提高機床加工精度。

2.1.1 激光干涉儀檢測幾何誤差原理

超高精度測量、自動高效校準是激光干涉儀的主要測量優(yōu)勢，由于數(shù)控銑床加工精度標準較高，需要選用測量精度超高的儀器監(jiān)測加工誤差，激光干涉儀成為不二之選。激光干涉儀采用氦氖鐳射完成誤差測量，在長時間的實踐與應用中，激光干涉儀檢測誤差不超過0.05 ppm[6]，為數(shù)控銑床幾何誤差測量創(chuàng)造了有利條件。

激光干涉儀與數(shù)控銑床安裝連接完畢后開始工作，此時激光干涉儀發(fā)射光束經(jīng)處理后分為兩路，分別作為參考光與測量光。前者光束在預先設置的反射鏡處理下轉(zhuǎn)變?yōu)閰⒖脊?，后者光束?jīng)數(shù)控銑床主軸反射鏡的處理轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量光。干涉光獲得則需要兩種光束再次以分光鏡為介質(zhì)進行匯總形成一束干涉光。在分光束相位差異作用下產(chǎn)生明亮有所差別的條紋，數(shù)控銑床主軸位移的微距則通過這些條紋明暗進行辨識，從而得到主軸加工的誤差情況。

2.1.2“螺距誤差”與“反向間隙”參量解釋

“反向間隙”：當數(shù)控銑床機械的傳動方向發(fā)生變化時，機床的工作臺面不會隨之發(fā)生運動，則導致機床的伺服電機運行狀態(tài)為空轉(zhuǎn)。此時在機械磨損因素影響下，機床傳動系統(tǒng)中的螺桿即產(chǎn)生一個反向的間隙。

“螺距誤差”：在零件加工過程中，機床傳動系統(tǒng)滾珠絲杠自身產(chǎn)生一種誤差，即“螺距誤差”。基于滾珠絲杠和主軸上構(gòu)件為線性關(guān)系，所以此誤差影響主軸構(gòu)件的運動精度，引起運動誤差。

2.1.3 數(shù)控銑床的幾何誤差補償

圖1 描述了數(shù)控銑床幾何誤差補償?shù)倪^程，此過程應用到激光干涉儀檢測方法、“螺距誤差”與“反向間隙”參量。第一步：根據(jù)激光干涉儀檢測結(jié)果巨鼎是否對數(shù)控銑床進行誤差補償；第二步：如若需要進行幾何誤差補償，則輸入“螺距誤差”與“反向間隙”參量計算模型，采集相關(guān)的參數(shù)并計算參量值，否則結(jié)束控制過程[7]；第三步：將采集的數(shù)據(jù)存儲在計算機控制端，對于數(shù)控銑床的“誤差補償控制量”根據(jù)數(shù)學模型求取得到，并傳遞至伺服電機，進而完成對數(shù)控銑床幾何誤差的補償控制。

圖1 數(shù)控銑床幾何誤差補償?shù)倪^程描述

上述誤差補償控制過程為循環(huán)執(zhí)行，目的是實時發(fā)現(xiàn)數(shù)控銑床加工存在的誤差，校正零件加工精度。所以，此過程中補償控制計算為持續(xù)進行狀態(tài)。

2.2 熱誤差補償方法

數(shù)控銑床的誤差補償控制原理如下：首先要測量數(shù)控銑床運行當中產(chǎn)生的熱誤差，然后根據(jù)熱誤差溫度變化趨勢數(shù)據(jù)構(gòu)建熱誤差補償模型，最后利用此模型進行數(shù)控銑床的熱誤差補償控制[8]。以上過程中，需要設計一個補償控制單元來存儲熱誤差補償模型，然后將此單元集成在數(shù)控銑床控制模塊，即可實現(xiàn)熱誤差的實時補償控制。

對數(shù)控銑床進行熱誤差補償控制的單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體包括控制器模塊、無線通信模塊、串口模塊、接口等主要部分。

圖2 熱誤差補償控制單元布局

由圖可知，熱誤差補償控制單元的核心部分是控制器模塊，誤差數(shù)據(jù)傳輸、模型計算均以此模塊為連接實現(xiàn)；補償控制單元發(fā)送的操作指令由通信模塊接收并及時反饋；補償控制單元同數(shù)控銑床及其電源的連接通過接口電路實現(xiàn)；串口電路則將補償控制單元的關(guān)鍵參數(shù)傳輸給計算機控制端，實現(xiàn)誤差補償控制參數(shù)的初始設置與調(diào)整；補償控制單元的電能支持由供電模塊提供，完成數(shù)控銑床24 V 電壓向3.3 V 電壓的轉(zhuǎn)換，便于單元中的各個模塊適應供電[9]。

3 實驗分析

為驗證本文方法解決數(shù)控銑床精度故障的有效性與合理性，以實際的數(shù)控銑床加工環(huán)境為場所進行工件加工測試應用。實驗使用的儀器設備包括VL1060 數(shù)控銑床、雷尼紹XL-30 激光干涉儀、熱誤差補償控制單元等等。在正常加工工件的過程中，分別針對幾何誤差、熱誤差產(chǎn)生的數(shù)控銑床加工精度故障進行補償控制，測試結(jié)果如下詳述。

3.1 幾何誤差的精度補償效果分析

工件加工過程中，基于本文方法校正數(shù)控銑床的加工誤差取得了理想的控制效果，分別記錄了幾何誤差補償控制前后的誤差數(shù)據(jù)，包括X、Y 兩個加工軸上的精度數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1 數(shù)控銑床幾何誤差控制效果

表中數(shù)據(jù)顯示，本文方法補償控制后，X 軸向的定位誤差與循環(huán)誤差分別降低了33.11%、58.32%，Y軸向的定位誤差與循環(huán)誤差分別降低了33.07%、46.30%，效果較為理想。

3.2 熱誤差的精度補償效果分析

工件加工過程中，本文控制數(shù)控銑床熱誤差的效果如圖3 所示，分別記錄了160 min 內(nèi)數(shù)控銑床X軸、Y 軸兩個軸向的加工精度，詳細描述了此時段內(nèi)的熱誤差發(fā)展趨向。

圖3 數(shù)控銑床熱誤差控制效果

進行熱誤差補償控制之前，X 軸向與Y 軸向的熱誤差區(qū)間分別為[-6.012μm，5.694μm]、[-7.466μm，6.541μm]。圖中數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過熱誤差補償后的數(shù)控銑床加工精度大幅度提升，X 軸向與Y 軸向的熱誤差區(qū)間分別降低至[-1.812μm，2.135μm]、[-1.021μm，1.712μm]，證明了本文提出的熱誤差解決對策可行且有效。

4 結(jié)論

本文綜合研究了數(shù)控銑床幾何誤差與熱誤差故障的控制對策，在實際工件加工過程中證明了解決對策的有效性與可行性，數(shù)控銑床加工的幾何誤差與熱誤差有效降低，加工精度得到可靠保障，希望為數(shù)控銑床工件加工誤差控制提供一定的借鑒與參考。數(shù)控銑床精度維護工作不僅要從外部控制方法入手，更要加強日常數(shù)控機床使用與檢修的力度，將一些可以避免的加工誤差扼殺在最初環(huán)節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)刀具、環(huán)境、加工系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)存在的問題，防微杜漸，降低數(shù)控銑床加工過程中的各種誤差，實現(xiàn)數(shù)控機械安全穩(wěn)定運行、零件產(chǎn)品加工高效有序發(fā)展。