楊慧峰

（鹽城機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224005）

引言

目前，數(shù)控機(jī)床技術(shù)逐漸向精細(xì)化、精準(zhǔn)化進(jìn)步，但誤差問題始終是數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域難以徹底根除的桎梏，而熱變形誤差、幾何誤差在誤差種類中為占比最高的兩類誤差，故深度掌握數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償方法，對于提升數(shù)控機(jī)床工件加工精度，保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有著至關(guān)重要的意義。

1 數(shù)控機(jī)床原理與誤差類型分析

1.1 數(shù)控機(jī)床原理

數(shù)控機(jī)床是由數(shù)控程序發(fā)送指令，控制零部件開展工作實(shí)現(xiàn)工件加工的設(shè)備。操作期間，技術(shù)人員在分析加工另加工藝同時，確認(rèn)零件坐標(biāo)系在數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系上的相對位置、刀具與零件相對運(yùn)動尺寸參數(shù)、加工工藝線路、切削工藝參數(shù)以及各種輔助裝置動作。在獲取所有信息后，利用文字、數(shù)字、符號組成的數(shù)控代碼，遵循特定的格式、方法實(shí)現(xiàn)零部件加工程序編制，并控制機(jī)床開展加工作業(yè)。通常，對于形狀相對復(fù)雜的零部件，需要采用專用變成計(jì)算機(jī)進(jìn)行APT自動變成或是開展CAM/CAD設(shè)計(jì)。

1.2 數(shù)控機(jī)床誤差類型

數(shù)控機(jī)床誤差，具體可分為熱變形誤差、控制系統(tǒng)誤差、原始制造誤差、切削負(fù)荷誤差、機(jī)床振動誤差。

1）熱變形誤差，其原因是機(jī)床內(nèi)部熱源，加工工況下環(huán)境熱擾動，會導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱變形，繼而產(chǎn)生機(jī)床誤差。

2）機(jī)床控制系統(tǒng)誤差，包含了機(jī)床的軸系伺服誤差、數(shù)控插補(bǔ)算法誤差，其中軸系伺誤差，又可稱為輪廓跟隨誤差。

3）機(jī)床原始制造誤差，即機(jī)床生產(chǎn)期間，機(jī)床各個部件工作面的表面質(zhì)量、集合狀態(tài)、彼此之間的位置誤差所導(dǎo)致的機(jī)床生產(chǎn)加工期間運(yùn)動誤差。

4）切削負(fù)荷加工誤差，即數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)過程中，切削負(fù)荷導(dǎo)致工藝系統(tǒng)變形繼而產(chǎn)生誤差。通常，切削負(fù)荷誤差的根本動因集中在數(shù)控機(jī)床的主體、刀具、夾具、工具變形而引發(fā)的誤差，數(shù)控加工領(lǐng)域?qū)⑦@種誤差稱為“讓刀”，“讓刀”問題會導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床所加工出的零件出現(xiàn)畸變，特別對于加工薄壁工件亦或是使用細(xì)長刀具時，“讓刀”誤差將更加顯著、嚴(yán)重。

數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，為數(shù)控機(jī)床自身固有誤差，具有可重復(fù)性的特點(diǎn)，同時數(shù)控機(jī)床誤差下，幾何誤差最常見問題，同樣具有十分顯著的重復(fù)性[1]。

2 數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)與應(yīng)用

2.1 基于多體系統(tǒng)的建模

所謂多體系統(tǒng)，即多個柔體、鋼體利用一系列特定的形式相互管關(guān)聯(lián)所建立起的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。通俗而言，多提系統(tǒng)是利用多個機(jī)械系統(tǒng)，以抽象方式組合而來的系統(tǒng)。多體系統(tǒng)包括床身、滑輪、工作臺、立以及主軸箱，面對數(shù)控機(jī)床誤差問題利用多體系統(tǒng)進(jìn)行建模，首要考量因素在于構(gòu)件基本的運(yùn)行原理以及運(yùn)行的具體程序，隨后依據(jù)構(gòu)件的原理尋求最合理的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)。多體系統(tǒng)，實(shí)際上自身便是高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)數(shù)控機(jī)床存在誤差期間，任何一個部件出現(xiàn)誤差，都會對其他零部件造成影響，且誤差會隨著時間的推移不斷擴(kuò)大，因此基于多體系統(tǒng)建模的數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償，便是通過建模及時解決數(shù)控機(jī)床同零部件的誤差。

應(yīng)用多體系統(tǒng)建模期間，首先需要明確機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式具有多樣化特征：入立式機(jī)床、龍門式機(jī)床、臥式機(jī)床。低序體陣列是用于描述系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)，利用低序體陣列，可實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜的機(jī)構(gòu)抽象為成體形式，隨后選定任意一體作為機(jī)體，即確認(rèn)B1機(jī)體，沿著遠(yuǎn)離B1方向，按照自然增長的數(shù)列對每一個個體進(jìn)行序號標(biāo)定，在存在分支情況下可先完成一個分支的編寫，隨后進(jìn)行其他分支編寫，直至所有分支完成標(biāo)定。其次，利用低序體陣列表，以體號對體與體之間的相互位置加以表示。如面對XH715立式加工中心，在抽象之后明確XH715立式加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從低序體陣列表中明確體與體之間存在相鄰關(guān)系，坐標(biāo)變換期間同樣遵低序體陣列表先后鄰關(guān)系，從高序體逐步向低序體轉(zhuǎn)換，最后全部轉(zhuǎn)換之所需的圖一坐標(biāo)系內(nèi)。表1為ZH715立式加工中心低序體陣列表。

表1 ZH715立式加工中心低序體陣列表

變換矩陣方面，首先分析多體系統(tǒng)內(nèi)任意兩個相鄰體之間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，例如提系統(tǒng)坐標(biāo)系中nj是固結(jié)于Bj提上的坐標(biāo)系，nk為固結(jié)在Bk體上的坐標(biāo)系，則滿足式（1）：

式中：［SJK］為多體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩陣，其決定性因素包括nj坐標(biāo)系、nk坐標(biāo)系之間的相對方位角，即αk、βk、γk，其中c、s分別為cos與sin，如此可得出式（2）：

基于相鄰體之間的變換關(guān)系，將nk轉(zhuǎn)換成為no慣性坐標(biāo)系，可得出式（3）：

Bk體上的任意一個矢量Gk轉(zhuǎn)換為慣性系R，則有：

建模期間，基于數(shù)控機(jī)床制造、生產(chǎn)過程中的誤差，Bk體的位置矢量qk、位移矢量{Sk}均存在響應(yīng)誤差，即qk′與Sk′，在將誤差項(xiàng)引入后，可將式（4）改寫為式（6）：

上述式（2）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的描述，將其同平移坐標(biāo)（xk，yk，zk）結(jié)合，利用4*4 D-H矩陣加以表示，可得到式（7）：

基于式（6）的分析，可將nj、nk坐標(biāo)轉(zhuǎn)換描述為式（8）：

式中：［Aqk］、［Aqk′］、［ASk］、［ASk′］分別為{qk}、{qk′}、{Sk}、{Sk′}的轉(zhuǎn)換矩陣。關(guān)于Bk體上任意一點(diǎn)P，式（9）代表其系統(tǒng)空間的變換模型[2]：

2.2 絲杠給進(jìn)熱變形誤差補(bǔ)償

絲杠給進(jìn)系統(tǒng)的熱變形誤差為十分此常見因素。對該誤差進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整期間，其一，引入光柵反饋全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，隨后可利用Renishaw開發(fā)的激光反饋實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)針對半閉環(huán)機(jī)床進(jìn)行補(bǔ)償。其二，在伺服動態(tài)性這一特點(diǎn)形式之下，合理進(jìn)行絲杠預(yù)警設(shè)置，確保數(shù)控機(jī)床可正常作業(yè)。其三，對絲杠母副冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改良，進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床耐久性運(yùn)作。其四，采取預(yù)補(bǔ)償形式，當(dāng)數(shù)控機(jī)床存在定位誤差，可補(bǔ)償一定數(shù)量的值，從而實(shí)現(xiàn)熱變形誤差補(bǔ)償。但是需要注意，該方法存在一定缺陷，預(yù)補(bǔ)償后機(jī)床定位誤差極易超出規(guī)定閾值，因此必須高度關(guān)注減少誤差問題。

2.3 滑枕系統(tǒng)誤差綜合補(bǔ)償應(yīng)用

滑枕系統(tǒng)作業(yè)期間長期處于內(nèi)熱源、外熱源共同作用下，同時熱源具有不恒定特征?；硐到y(tǒng)本身采取不對稱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且發(fā)熱、制冷部件未在系統(tǒng)內(nèi)勻稱排列，加之滑枕系統(tǒng)內(nèi)所用到的零部件材料、結(jié)構(gòu)、形狀有所差異，故可以將滑枕系統(tǒng)看作為高度復(fù)雜的復(fù)合溫度場，長期處于溫度復(fù)合場下的滑枕系統(tǒng)極易出現(xiàn)熱應(yīng)力、熱拉移，繼而導(dǎo)致熱變形問題越發(fā)嚴(yán)重、誤差提升。

補(bǔ)償滑枕系統(tǒng)誤差階段，可采取“五點(diǎn)法”進(jìn)行變形參數(shù)測量，將標(biāo)準(zhǔn)芯棒安裝在主軸上，隨后于YX、ZX平面分別安裝電渦流傳感器，安裝間距設(shè)置250 mm，并于芯棒另一端安裝一個電渦流傳感器。安裝熱傳感器期間，一個安裝在主軸前段軸承測，另一個安裝于床身，如此方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面測量。多數(shù)情況下，主軸會在作業(yè)期間處于70%轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中方可利用電渦流傳感器傳感器進(jìn)行測量，便于計(jì)算誤差參數(shù)，隨后將誤差參數(shù)帶入特定數(shù)據(jù)，便可獲取誤差補(bǔ)償前后測量的真實(shí)結(jié)果[3]。

3 結(jié)語

從事數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償研究，在實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床原理、誤差分類分析基礎(chǔ)上，對基于多體系統(tǒng)的建模、絲杠給進(jìn)熱變形誤差補(bǔ)償、滑枕系統(tǒng)誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行分析，相關(guān)企業(yè)可借鑒本文研究成果，提升實(shí)際生產(chǎn)階段數(shù)控機(jī)床的精度。同時，生產(chǎn)階段，精細(xì)化的加工也是有效減補(bǔ)償誤差的方式，相關(guān)企業(yè)可通過刀具的詳細(xì)分類、工件加工時的精細(xì)化管理以及合理參考刀具的更換時間進(jìn)一步降低數(shù)控機(jī)床的誤差，為工件生產(chǎn)精度作出技術(shù)層面的有效保障。