卓　飛

試論數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及其運(yùn)用

卓飛

(南京浦口中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211800 )

隨著我國綜合國力的不斷提升，我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)械制造行業(yè)的重要支撐。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)效率越來越高，對數(shù)控機(jī)床在加工過程中的精準(zhǔn)性也提出了新的要求。數(shù)控機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差時，應(yīng)用數(shù)控機(jī)床綜合補(bǔ)償技術(shù)使機(jī)床自行進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，可以在一定程度上降低因頻繁進(jìn)行人工校正數(shù)控機(jī)床設(shè)備造成的時間成本和人力成本，能夠很好的彌補(bǔ)技術(shù)缺陷，保證數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

數(shù)控機(jī)床；誤差；補(bǔ)償技術(shù)；實(shí)際應(yīng)用

近年來，我國通過對制造業(yè)的不斷升級和優(yōu)化，大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，力爭從制造大國邁向制造強(qiáng)國。廣泛應(yīng)用數(shù)控機(jī)床自動化技術(shù)是我國機(jī)械制造行業(yè)能否轉(zhuǎn)型成高端制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而高端制造業(yè)也對數(shù)控機(jī)床的加工精準(zhǔn)度也提出了更高的要求。數(shù)控機(jī)床綜合補(bǔ)償技術(shù)是指在數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差時，通過人為干預(yù)，使數(shù)控機(jī)床自行對其進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，將數(shù)控機(jī)床的原有加工誤差進(jìn)行抵消操作。在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用數(shù)控機(jī)床綜合補(bǔ)償技術(shù)能夠有效減小數(shù)控機(jī)床加工時產(chǎn)生的誤差。

1　數(shù)控機(jī)床存在誤差的原因

引發(fā)數(shù)控機(jī)床加工誤差的原因有很多，加工過程中的各個環(huán)節(jié)都有造成加工誤差的可能。通過表1可以看出，在數(shù)控機(jī)床加工過程產(chǎn)生誤差的各種原因中，機(jī)床誤差占比最大，已經(jīng)達(dá)到45%～65%。造成機(jī)床誤差的主要原因有機(jī)床實(shí)際擺放位置與理想擺放位置沒有一致、熱誤差以及力誤差。熱誤差是由于機(jī)床在加工過程中持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦的過程中產(chǎn)生大量的熱量，造成機(jī)床零件發(fā)生熱變形而產(chǎn)生，如圖1所示。力誤差主要是機(jī)床在運(yùn)行過程中，受機(jī)床自身重量、工具零件重量和機(jī)身震動等原因引發(fā)機(jī)床零件位置偏移而造成[1]。

表1　數(shù)控機(jī)床加工過程中誤差分類占比表

圖1　機(jī)床熱誤差影響

2　機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)的類型

現(xiàn)階段，我國數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)主要有3種，分別是實(shí)施補(bǔ)償法、靜態(tài)補(bǔ)償法、綜合動態(tài)補(bǔ)償法。這三種補(bǔ)償方法各有利弊，在應(yīng)用過程中，要結(jié)合機(jī)床加工的實(shí)際情況來選擇最適合方法。靜態(tài)補(bǔ)償法主要是依據(jù)預(yù)先設(shè)定的各個機(jī)械數(shù)值對機(jī)床設(shè)備的零件進(jìn)行矯正，缺點(diǎn)是不能根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，靈活性較差。實(shí)施補(bǔ)償法是通過機(jī)床的硬件設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)償，這種方法能夠根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，減小機(jī)床數(shù)據(jù)誤差的數(shù)值，但是不能對雙軸以及三軸聯(lián)動的機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)用范圍有限。綜合補(bǔ)償法是將機(jī)床補(bǔ)償機(jī)制與信息技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)，能夠根據(jù)自身的優(yōu)點(diǎn)針對機(jī)床的實(shí)際問題進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，確保機(jī)床加工的誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此，在數(shù)控機(jī)床加工中應(yīng)用綜合補(bǔ)償法，能夠有效地減小加工誤差[2]。

3　機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)分析

在機(jī)床加工的過程中，精密的設(shè)備和先進(jìn)的誤差控制系統(tǒng)是機(jī)床加工精度的重要保證。完善的誤差控制系統(tǒng)能夠保證機(jī)床在運(yùn)行過程中嚴(yán)格按照設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行工作，保證數(shù)控機(jī)床加工的精度。先進(jìn)的機(jī)床控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，將數(shù)控機(jī)床在加工過程中的誤差控制在可接受的范圍內(nèi)，提升數(shù)控機(jī)床加工的良品率。將先進(jìn)技術(shù)與數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品的誤差值，為我國數(shù)控機(jī)床加工行業(yè)的發(fā)展提供保障[3]。

3.1　數(shù)控機(jī)床的誤差模擬

利用數(shù)控機(jī)床誤差模擬技術(shù)可以監(jiān)測數(shù)控機(jī)床內(nèi)部零件的熱力變形以及承載力變形的狀況并對其性能進(jìn)行檢測和評估，還能夠監(jiān)控和分析機(jī)床加工的過程[4]。

近年來，我國的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)取得了飛速發(fā)展，為數(shù)控機(jī)床加工提供了質(zhì)量保障。數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)通過測量和計(jì)算機(jī)床各個零件之間的差異，其中包含零件出廠時的差異以及機(jī)床在生產(chǎn)過程中熱變形以及承重變形壓力造成的差異數(shù)值，將通過測量出的差異數(shù)值進(jìn)行比對可以得出機(jī)床補(bǔ)償公式，再通過模擬實(shí)驗(yàn)論證其補(bǔ)償公式的準(zhǔn)確性。從實(shí)際檢測數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控機(jī)床誤差模擬技術(shù)應(yīng)用在特定的條件中有顯著的效果，但是數(shù)控機(jī)床誤差模擬技術(shù)的通用性能較差，在參數(shù)多變的機(jī)床上應(yīng)用誤差模擬技術(shù)的準(zhǔn)確性就不高[5]。

3.2　對數(shù)控機(jī)床誤差的測量

在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床零件的外形誤差數(shù)值測量時，通常采用的是確定項(xiàng)誤差測量法和誤差綜合測量辨識參數(shù)法。

在應(yīng)用確定項(xiàng)誤差測量法，一般使用精密的誤差測量設(shè)備對數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)零件設(shè)備進(jìn)行測量，以此獲得數(shù)控機(jī)床的整體誤差數(shù)據(jù)。例如，在進(jìn)行3D數(shù)控機(jī)床確定項(xiàng)誤差測量時，可以使用精密的雙頻激光器對關(guān)鍵誤差內(nèi)容項(xiàng)目進(jìn)行雙頻激光測量，使用電子水平儀設(shè)備對其余項(xiàng)目進(jìn)行測量。

誤差綜合測量辨識參數(shù)法是指在某一特定位置對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行掃描測量，將測量的結(jié)果轉(zhuǎn)化成數(shù)字模型，再把數(shù)字模型與機(jī)床的原始參數(shù)進(jìn)行對比，可以得出精確的誤差數(shù)值。采用誤差綜合測量辨識參數(shù)法進(jìn)行誤差測量，結(jié)果較為精準(zhǔn)且投入的設(shè)備較為簡單，適合廣泛應(yīng)用于測量數(shù)控機(jī)床加工誤差[6]。

3.3　誤差補(bǔ)償方法

我國數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)目前主要有三種，分別是NC系統(tǒng)補(bǔ)償法、前饋補(bǔ)償法和反饋補(bǔ)償法。

NC系統(tǒng)對于數(shù)控機(jī)床而言非常重要，數(shù)控機(jī)床的操作指令需要NC系統(tǒng)來完成。NC系統(tǒng)補(bǔ)償法以脈沖的形式對數(shù)控機(jī)床的誤差進(jìn)行測量和取值，將測量值與通過轉(zhuǎn)換數(shù)碼程序重構(gòu)的初始數(shù)值進(jìn)行對比，可以得出需要誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，運(yùn)用接口輔助裝置將誤差數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)對數(shù)控機(jī)床具體參數(shù)進(jìn)行分析，把得到的數(shù)控機(jī)床誤差數(shù)值反饋至NC系統(tǒng)內(nèi)，再將需要修整的誤差疊加至程序中，最后運(yùn)用反饋補(bǔ)償法進(jìn)行處理，從而確保誤差補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)度。這種轉(zhuǎn)換數(shù)碼程序的手段對三維數(shù)控機(jī)床模型的誤差補(bǔ)償額的效果較為明顯。

前饋補(bǔ)償法是根據(jù)數(shù)控機(jī)床的誤差來調(diào)控伺服電機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床誤差的補(bǔ)償。前饋補(bǔ)償法在應(yīng)用過程中，伺服系統(tǒng)會將一定量的數(shù)控機(jī)床誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號，使得數(shù)控機(jī)床電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

反饋補(bǔ)償法是指將計(jì)算機(jī)中的誤差數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換后進(jìn)行疊加操作，進(jìn)而對數(shù)控機(jī)床的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。目前我國大部分的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)主要采用閉環(huán)式或半閉環(huán)式進(jìn)行控制，在使用反饋補(bǔ)償法時，需要借助光柵以及碼盤等技術(shù)設(shè)備[7]。

4　綜合補(bǔ)償技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

4.1　多體系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)

多體系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床是由柔體和剛體共同建構(gòu)起來的復(fù)雜機(jī)械。由于多體系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的零件較多，組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，容易引發(fā)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生誤差的因素也非常多，因此在對多系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償要從其構(gòu)成零件入手，分析其系統(tǒng)以及零件的運(yùn)行流程，選擇最適合的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)，減少機(jī)床誤差對數(shù)控機(jī)床加工過程中的影響[8]。

4.2　絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的熱變形誤差

在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，熱變形是導(dǎo)致絲杠變形的主要原因。為了解決這一問題，需要根據(jù)數(shù)控機(jī)床絲變形杠的實(shí)際情況采取綜合補(bǔ)償措施。首先應(yīng)該改良絲杠系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，增強(qiáng)其耐熱性，避免出現(xiàn)絲杠系統(tǒng)受熱環(huán)境影響發(fā)生變形，保障數(shù)控機(jī)床的加工精度。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床可以采用光柵反饋來支撐系統(tǒng)運(yùn)行，半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床可以采用激光補(bǔ)償法進(jìn)行支撐系統(tǒng)運(yùn)行，保證數(shù)控機(jī)床的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)[9]。

4.3　優(yōu)化數(shù)控機(jī)床的加工

在數(shù)控機(jī)床加工的過程中，首先加強(qiáng)對數(shù)控機(jī)床零件質(zhì)量的把控，完善加工流程，從根本上減小數(shù)控機(jī)床的誤差，再通過選擇適合該數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償技術(shù)，對機(jī)床的誤差進(jìn)行測量和計(jì)算，進(jìn)而減小由于零件誤差對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行產(chǎn)生的影響。

5　結(jié)語

隨著我國數(shù)控機(jī)床技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為我國工業(yè)生產(chǎn)的支柱設(shè)備，但數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)時產(chǎn)生的加工誤差會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的精度，也會制約我國機(jī)械制造業(yè)精細(xì)化發(fā)展。為了適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對機(jī)械制造業(yè)精細(xì)化的要求，優(yōu)化和提高數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)已成為當(dāng)下我國機(jī)械制造加工行業(yè)的首要任務(wù)。機(jī)械制造加工行業(yè)的從業(yè)者需要針對數(shù)控機(jī)床的不同誤差類型，選擇合適的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)，同時根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，從而提高數(shù)控機(jī)床的精準(zhǔn)度，降低因數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)誤差所帶來的影響，促進(jìn)我國數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展。

[1] 陳光勝,梅雪松.誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及其在大型數(shù)控磨齒機(jī)應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2013,49(4):139.

[2] 王家序,王洪樂,周青華,等.基于修改NC程序的數(shù)控機(jī)床綜合誤差三階優(yōu)化補(bǔ)償方法:CN105717864A[P]. 2016.

[3] 李香燕,李金展,盧松濤.數(shù)控機(jī)床綜合誤差的檢測及補(bǔ)償技術(shù)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2015,36(1):275-278.

[4] 范晉偉,關(guān)佳亮,王文超,等.SMART-CNC超精密數(shù)控曲面磨床綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006, 32(4):306-310.

[5] 苗恩銘,徐建國,呂玄玄,等.數(shù)控機(jī)床工作臺誤差綜合補(bǔ)償方法研究[J].中國機(jī)械工程,2017,28(11):1326-1332.

[6] 張斌.面向五軸數(shù)控機(jī)床的激光高精度多參數(shù)快速綜合測量儀研制與應(yīng)用[J].科技成果管理與研究,16(10):62-65.

[7] 佚名.“重型數(shù)控機(jī)床動態(tài)綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究與應(yīng)用”課題通過驗(yàn)收[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,2013 (1):35.

[8] 陳莉莎.環(huán)境規(guī)制的企業(yè)價值補(bǔ)償效應(yīng)研究--基于不同環(huán)境規(guī)制工具的比較[J].當(dāng)代經(jīng)濟(jì),2021(11):114-119.

[9] 任兵,任小洪,徐衛(wèi)東,等.基于ARMLinux的數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2012(4):25-27,31.

Study on the comprehensive error compensation technology and its application in CNC machines

ZHUO Fei

(Nanjing Pukou Secondary Professional School, Nanjing, Jiangsu 211800, China)

With the continuous improvement of China's comprehensive national strength, China's CNC machine tool technology has made rapid development and has become an important support of the machinery manufacturing industry. The operation efficiency is higher and higher for modern CNC machines, the precision of numerical control machine tools in the process of machining also put forward new requirements. When data error appeared in the operation process of a CNC machine, the application of comprehensive error compensation technology for data correction can reduce the cost of time and labor caused by frequent manual correction of CNC machine to a certain extent, which could make up for technical shortcomings well, and guarantee date precision of CNC machines.

CNC machines; error; compensation technology; practical application

GT659

A

2096–8736(2022)01–0040–04

卓飛(1988—)，男，江蘇南京人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍