李玉龍

摘要：在現(xiàn)今的工業(yè)化生產(chǎn)中，數(shù)控機床發(fā)揮著重要作用，數(shù)控機床的使用大大提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，但其也成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素，如當(dāng)數(shù)控機床位置控制精度較低時，產(chǎn)品質(zhì)量將無法得到保障?；诖耍疚耐ㄟ^調(diào)查法、文獻(xiàn)法對數(shù)控機床位置控制與誤差補償措施進(jìn)行分析路論述，希望能為相關(guān)工作帶來些許幫助。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;位置控制;誤差補償

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0099-02

0? 引言

目前，機械數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的最為廣泛，該類數(shù)控機床主要是用于軸類和盤類零件以及任意錐角的內(nèi)外圓錐切削與加工，并可進(jìn)行鉆孔以及擴(kuò)孔等操作。在應(yīng)用機械數(shù)控機床進(jìn)行生產(chǎn)時，需采用先進(jìn)的控制方法對機床位置進(jìn)行控制，使機床有較高的精度，從而讓產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量得到保障。在對機械數(shù)控機床位置進(jìn)行控制時，主要有剛性控制與柔性控制兩種方法，在具體操作過程中，利用有限元軟件來控制機床加工耦合性，從而讓數(shù)控機床位置有較高的精度。研究與實踐證明，這種位置控制方法有一定的科學(xué)性與可行性，但是也存有缺陷。如數(shù)控機床在加工生產(chǎn)過程中其自身會產(chǎn)生振動，上述控制方法未能充分考慮到機床振動對機床位置精度的影響，因此也會有誤差產(chǎn)生。下面結(jié)合實際，就機械數(shù)控機床位置控制與誤差補償問題做具體分析。

1? 機械數(shù)控機床位置控制精度與誤差

1.1 機械數(shù)控機床位置變化原因

機械數(shù)控機床在運行時是按照事先編制好的程序與輔助參數(shù)，按照既定的軌跡（路線）來對零部件進(jìn)行精準(zhǔn)加工，通過機械化的操作與控制減少人為加工誤差，同時提高產(chǎn)品加工速度，降低產(chǎn)品加工成本[1]。

交流伺服位置控制系統(tǒng)是當(dāng)前許多機械數(shù)控機床所采用的，位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為閉環(huán)結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。整個結(jié)構(gòu)中包含有點陣式糧倉、數(shù)控機床以及機械手臂等。當(dāng)機械數(shù)控機床處于運行狀態(tài)時，光電編碼器也會轉(zhuǎn)動并因此產(chǎn)生脈沖數(shù)，從而使機床位置精度得到控制與保證。數(shù)控機床之所以會在運行過程中出現(xiàn)位置誤差，主要是因為加工時工件與刀具相互摩擦并由此產(chǎn)生熱量，機床受到熱量影響位置發(fā)生變化，并進(jìn)一步導(dǎo)致工件的相對位置也進(jìn)一步出現(xiàn)變化[2]。因數(shù)控機床結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性特征，因此機床位置控制難度也相對較大。要想實現(xiàn)對機床位置的動態(tài)化與精準(zhǔn)化控制，就需要借助增量動態(tài)模型，并結(jié)合溫度、熱位移這兩組數(shù)據(jù)將機床的熱變形計算出來。由于數(shù)控機床位置精度還與機床溫度有關(guān)，因此要將位置誤差與機床溫度之間的關(guān)系分析出來。之后以各組計算與分析數(shù)據(jù)構(gòu)建相應(yīng)模型并借助模型對位置控制方案進(jìn)行實踐。

1.2 數(shù)控機床位置校正

1.2.1 設(shè)立數(shù)控機床目標(biāo)控制函數(shù)

為使機械數(shù)控機床實現(xiàn)高精度運行，可基于專業(yè)理論與先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建機械數(shù)控機床目標(biāo)控制函數(shù)，利用該函數(shù)對機械數(shù)控機裝位置進(jìn)行精準(zhǔn)校正，防止出現(xiàn)過大的位置偏差。在構(gòu)建機床位置目標(biāo)控制函數(shù)時，先采用專業(yè)的技術(shù)方法準(zhǔn)確測量出機械數(shù)控機床加工控制參數(shù)的相關(guān)性，以便后續(xù)各項建構(gòu)、校正工作能順利進(jìn)行。

在測量控制參數(shù)的相關(guān)性時，選用一次逆銑法進(jìn)行數(shù)控機床主軸承銑削加工，在加工過程中沿著齒寬曲率對接觸線進(jìn)行修正，邊修正邊監(jiān)測與記錄，最后得到對數(shù)控機床加工測試的軸承轉(zhuǎn)動慣量。在得到這一數(shù)據(jù)后，將數(shù)控機床主軸滾子軸承銑削加工誤差參考量給定，然后再對直齒進(jìn)行加工時測試與優(yōu)化切削工藝參數(shù)，調(diào)整優(yōu)化到機床切滾刀模數(shù)接近安全允量時，計算出數(shù)控機床工藝參數(shù)解算的相關(guān)性控制函數(shù)，并基于正確的公式計算出工藝參數(shù)相關(guān)性測量矩陣。在準(zhǔn)確測量出機械數(shù)控機床加工控制參數(shù)相關(guān)性的基礎(chǔ)上，基于精確數(shù)據(jù)與正確的公式與理論構(gòu)建控制約束函數(shù)。在構(gòu)建控制約束函數(shù)時，需先測得數(shù)控機床在運行狀態(tài)下的軸向行程、軸向進(jìn)給速度、齒像方向誤差等。為獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可采用距離測試技術(shù)進(jìn)行測試。測試結(jié)束后，依據(jù)相應(yīng)的理論與公式計算分析出數(shù)控機床平動行程與平動速率之間的關(guān)系。

1.2.2 構(gòu)建誤差關(guān)系增量動態(tài)模型

在對機床位置進(jìn)行控制時，由于位置控制精度主要受到溫度變形的影響，因此要想提高機床坐標(biāo)位置控制精度，就必須獲得精準(zhǔn)的溫度信息。為獲得高精度的分度變形信息，采用補償法來進(jìn)行檢測與計算。在具體實踐過程中，分析出數(shù)控機床結(jié)構(gòu)特點對位置精度的影響，參考分析出的結(jié)果構(gòu)建誤差關(guān)系增量動態(tài)模型以及數(shù)控系統(tǒng)，借助信息化的模型與系統(tǒng)來對數(shù)控機床運行期間的位置變化情況進(jìn)行監(jiān)測，為位置誤差校正工作的開展提供參考依據(jù)。誤差關(guān)系增量動態(tài)模型以及數(shù)控系統(tǒng)的實際監(jiān)測原理以及程序是：當(dāng)啟動數(shù)控機床進(jìn)行生產(chǎn)時，安裝在數(shù)控機床上的溫度感應(yīng)裝置會自動采集數(shù)控機床運行溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再將數(shù)據(jù)運用于增量動態(tài)模型，模型自動計算出誤差補償值，以該數(shù)值為參考對數(shù)控機床位置進(jìn)行矯正，讓機床沿坐標(biāo)軸運動。當(dāng)前還有一種機床位置監(jiān)測與控制方法，就是基于高精度坐標(biāo)，得到機械數(shù)控機床處于運行狀態(tài)下多坐標(biāo)合成軌跡，在此基礎(chǔ)上運用幾何誤差信息校正方法對數(shù)控機床的偏差位置做出校正，讓數(shù)控機床位置精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

2? 機械數(shù)控機床位置誤差補償

誤差補償?shù)幕舅枷刖褪怯跈C械數(shù)控機床控制系統(tǒng)中輸入誤差值，借此對誤差位置進(jìn)行補償或者是對零件的尺寸以及形位誤差進(jìn)行改進(jìn)。在對機械數(shù)控機床位置誤差進(jìn)行補償時，有軟件誤差補償、硬件誤差補償這兩種方法，在實際的操作中需要根據(jù)補償信息是產(chǎn)生于系統(tǒng)軟件還是機床硬件來做針對性的選擇與應(yīng)用。下面就這兩種誤差補償方法做具體分析。

2.1 硬件誤差補償

使用硬件誤差補償技術(shù)時，主要是通過調(diào)整硬件參數(shù)來達(dá)到提高位置精度的目的。如對數(shù)控機床上相關(guān)構(gòu)件的尺寸、大小、深淺等進(jìn)行調(diào)整，從而使數(shù)控機床在運行過程中易發(fā)生位置偏移的問題得到解決。除了調(diào)整數(shù)控機床零部件參數(shù)，還要對螺栓、螺母等進(jìn)行預(yù)緊緊固，對軸承間隙進(jìn)行補償。進(jìn)行硬件補償后，機械數(shù)控機床位置精度雖有明顯提高，但是機床制造成本也會明顯上升。并且采用硬件補償法后，后續(xù)就很難對機床補償值進(jìn)行靈活調(diào)整。因此在具體的生產(chǎn)實踐中還應(yīng)根據(jù)實際情況謹(jǐn)慎選擇、合理運用[4]。

2.2 軟件誤差補償

使用軟件誤差補償技術(shù)時，先要將反向間隙測定出來，然后以該數(shù)據(jù)為參考適當(dāng)調(diào)整參數(shù)表中的補償值，借此將機床系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的誤差值抵消，進(jìn)而減少數(shù)控機械位置誤差。與硬件補償法相比，軟件補償法要更容易操作，并且其的適用性也較強，通用性較好。經(jīng)研究與試驗發(fā)現(xiàn)，軟件補償?shù)墓才_性能很好，并且補償操作也較為靈活，當(dāng)機械數(shù)控機床處于運行狀態(tài)時，補償值可隨工作狀態(tài)的變化而變化。相較于硬件誤差補償法，軟件誤差補償在當(dāng)前有著更廣泛的應(yīng)用[5]。

軟件誤差補償實例：

由于激光干涉儀的自動線性誤差補償功能較強，可在機械數(shù)控機床運行過程中自動檢測機床位置精度并作出自動補償，因此可利用其對機械數(shù)控機床各運動軸的反向間隙進(jìn)行自動測量與補償，讓機械數(shù)控機床有較高的加工精度。在利用激光干涉儀對機械數(shù)控機床位置精度進(jìn)行監(jiān)測與補償時，需先設(shè)置好有關(guān)的參數(shù)，如可將起點坐標(biāo)設(shè)置為0，終點坐標(biāo)設(shè)置為100，步長設(shè)置為4mm，往復(fù)行程自動測量次數(shù)為20次。在設(shè)置好這些基礎(chǔ)參數(shù)后再設(shè)置誤差補償參數(shù)，讓激光干涉儀的測量頻率設(shè)置為每運行10mm測量1次，將每次測量停頓時間設(shè)置為4s，往復(fù)總共測量次數(shù)設(shè)置為11，共運行110mm。

參數(shù)設(shè)置結(jié)束編寫測量程序，編訂程序時以機床實際加工精度為依據(jù)，在滾珠絲杠有效行程范圍內(nèi)按照標(biāo)準(zhǔn)的順序確定出若干個采樣點。采樣點設(shè)置完成后，利用增量值補償類型對各采樣處的誤差補償值進(jìn)行測量采集，整合各數(shù)據(jù)形成在不同指令位置處的帶后沖動值綜合誤差表。依據(jù)誤差表對誤差產(chǎn)生原因等進(jìn)行分析，并將控制面板的參數(shù)設(shè)置頁面打開，查找并進(jìn)入“軸間補量”的Z軸補償界面，于Z軸反向間隙補償位置輸入反向間隙平均值，實現(xiàn)對誤差的有效補償。研究與實踐證明，對機械數(shù)控機床進(jìn)行以上誤差補償操作后，機床加工精度會明顯提高，產(chǎn)品質(zhì)量也得到充分保證。

3? 結(jié)語

綜上所述，機械數(shù)控機床位置誤差會給產(chǎn)品加工質(zhì)量造成較大影響。因此對于機械數(shù)控機床位置誤差，一定要找準(zhǔn)誤差產(chǎn)生原因，并采取相應(yīng)的位置控制與誤差補償方法使位置誤差得以消除，讓機床加工精度得到保證。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃利銀.機械數(shù)控機床位置控制及誤差補償分析[J].信息記錄材料，2020，21（09）：110-111.

[2]張婷，薛媛麗.基于增量動態(tài)模型的機械數(shù)控機床位置控制方法[J].機械設(shè)計與制造工程，2020，49（06）：107-111.

[3]周大成.機械數(shù)控機床位置控制及誤差補償分析[J].農(nóng)機使用與維修，2020（06）：47.

[4]劉慧敏.高強度運行環(huán)境下機械數(shù)控機床位置控制研究[J].科技通報，2018，34（02）：179-182，187.

[5]張峻琿.數(shù)控機床機械故障的診斷方法研究[J].科技與創(chuàng)新，2015（24）：100.