杜春艷

（江蘇省銅山中等專業(yè)學(xué)校，徐州 221000）

機(jī)械加工生產(chǎn)中，受多種因素的影響，數(shù)控機(jī)床工作中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)各種誤差。為了降低這些誤差，應(yīng)綜合分析誤差，了解誤差特點(diǎn)，掌握誤差出現(xiàn)的規(guī)律，然后運(yùn)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，盡可能降低原始誤差發(fā)生的概率以減小誤差。誤差補(bǔ)償技術(shù)可以提高機(jī)床加工的準(zhǔn)確性和精密度，確保產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)我國(guó)制造加工業(yè)占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)的能力，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差進(jìn)行分析尤為重要。

1 誤差補(bǔ)償及誤差分析的意義

現(xiàn)實(shí)生活中，誤差普遍存在。測(cè)量任何一種物理量，所得數(shù)值與真實(shí)值之間都會(huì)存在一定差異即誤差。誤差不可消除，但可有效減小。數(shù)據(jù)機(jī)床運(yùn)用中，通常采用誤差防止和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣呒庸ぞ萚1]。前者是在機(jī)床設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中減少或者消除產(chǎn)生誤差的隱患，后者是通過(guò)改變操控機(jī)床的指令實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，從而獲取理性運(yùn)動(dòng)軌跡，提高機(jī)床加工精度。在分析、掌握誤差特點(diǎn)及發(fā)生規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行誤差數(shù)學(xué)建模，制造人為誤差以減弱或者抵消原始誤差，最終使兩種誤差方向相反、數(shù)值相等，提高加工產(chǎn)品的精度。同誤差防止相比，誤差補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值更高，降低加工誤差的效果更好。

分析數(shù)控機(jī)床誤差，應(yīng)當(dāng)了解誤差來(lái)源，分析產(chǎn)生誤差的原因。誤差分析是誤差補(bǔ)償實(shí)施的前提，通過(guò)分析掌握各種誤差性質(zhì)以及相互之間的聯(lián)系，制定有效的補(bǔ)償措施，確保誤差補(bǔ)償?shù)暮侠硇院陀行浴Ｋ?，誤差補(bǔ)償實(shí)施前分析誤差非常重要。

2 影響數(shù)控機(jī)床加工精度的空間誤差源

2.1 力誤差

機(jī)械加工生產(chǎn)中，受機(jī)床剛度影響，機(jī)床在力的作用下發(fā)生彈性變形。機(jī)床工作過(guò)程中，所受力主要有夾具、工件以及機(jī)床的自身重力，刀具切削所產(chǎn)生的切削力，工件裝夾時(shí)工件與夾具之間產(chǎn)生的裝夾力等。

2.2 位置誤差

位置誤差又稱幾何誤差，產(chǎn)生的原因在于機(jī)床設(shè)計(jì)存在缺陷，零部件設(shè)計(jì)、加工存在誤差，零部件運(yùn)動(dòng)與相對(duì)位置發(fā)生改變，零部件裝配不合理等。

2.3 熱誤差

機(jī)床運(yùn)行中，機(jī)床溫度變化不均勻，導(dǎo)致機(jī)床零部件外形尺寸及部件之間相對(duì)位置等發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在工作臺(tái)變形、立柱、絲杠、機(jī)床床身受熱出現(xiàn)膨脹以及主軸變長(zhǎng)等方面[2]。圖1為熱誤差產(chǎn)生原理。

諸多誤差中，位置誤差和力誤差所占比例較大。隨著機(jī)床誤差研究的不斷發(fā)展，定位精度不斷提高，位置誤差得到改善。熱誤差對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度影響較大，是機(jī)床誤差的主要來(lái)源。

3 誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償主要包括誤差建模、誤差測(cè)量以及誤差實(shí)施等內(nèi)容。補(bǔ)償過(guò)程中運(yùn)用的技術(shù)是決定誤差補(bǔ)償效果的重要因素。圖2為誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

圖1 熱誤差產(chǎn)生原理

圖2 誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建模技術(shù)

誤差建模是實(shí)施誤差補(bǔ)償技術(shù)的前提條件。誤差模型的內(nèi)容主要包括綜合模型和元素模型兩類。綜合模型包括車床運(yùn)行過(guò)程中的刀具位移和換刀操作產(chǎn)生的綜合誤差，通過(guò)建立車床各個(gè)作業(yè)部件的運(yùn)動(dòng)模型分析車床作業(yè)過(guò)程中的綜合誤差。元素模型主要指針對(duì)單個(gè)刀具、夾具檢測(cè)出的位置誤差，如車床的主軸定位誤差等。通過(guò)分析車床整個(gè)作業(yè)過(guò)程的綜合誤差模型和針對(duì)關(guān)鍵作業(yè)部件的元素誤差模型，能夠更加準(zhǔn)確全面地了解整個(gè)車床作業(yè)過(guò)程中的誤差情況。

3.2 測(cè)量技術(shù)

它以機(jī)床每個(gè)獨(dú)立的誤差成分為基礎(chǔ)，確定最終的方向誤差和位置誤差，因此需要精準(zhǔn)分析、正確測(cè)量和有效識(shí)別誤差的成分。測(cè)量誤差主要包括間接識(shí)別和直接測(cè)量?jī)煞N方式[3]。間接識(shí)別利用儀器設(shè)備測(cè)量誤差，如平面光柵、球棒儀等，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型，利用數(shù)學(xué)方法分離所測(cè)誤差，最后獲得誤差成分。例如，綜合誤差通常用間接方法進(jìn)行測(cè)量。直接測(cè)量是利用機(jī)械、光學(xué)或者干涉設(shè)備，針對(duì)不同溫度、不同位置進(jìn)行誤差測(cè)量。例如，單項(xiàng)誤差通常用直接方法進(jìn)行測(cè)量。一般情況下，利用間接方法測(cè)量誤差分量，速度快，效率高。直接測(cè)量雖然測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精準(zhǔn)度高，但是耗時(shí)較長(zhǎng)。尋求測(cè)量效率和測(cè)量精度的平衡點(diǎn)，是研究測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵所在。在確保測(cè)量精度的前提下，要求最大限度地提高測(cè)量效率。

3.3 實(shí)施技術(shù)

誤差補(bǔ)償要以誤差建模分析和誤差測(cè)量的結(jié)果為準(zhǔn)。補(bǔ)償實(shí)施的方式分為實(shí)時(shí)補(bǔ)償和離線補(bǔ)償兩大類。實(shí)時(shí)補(bǔ)償主要指硬件設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)測(cè)量技術(shù)的反饋數(shù)據(jù)，向補(bǔ)償裝置發(fā)送補(bǔ)償實(shí)施指令，然后由補(bǔ)償裝置根據(jù)指令將出現(xiàn)誤差的部分調(diào)整到合適的位置或合適的溫度。這一過(guò)程主要依靠補(bǔ)償裝置裝載的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），對(duì)測(cè)量裝置發(fā)布的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)建模運(yùn)算，然后根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算結(jié)果補(bǔ)償車床。這種補(bǔ)償實(shí)施方式的靈活性較高，且能夠?qū)φ谶\(yùn)行的車床的多個(gè)部件的誤差同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，能夠保證誤差補(bǔ)償效率，也能保證一定的誤差補(bǔ)償精確度。離線補(bǔ)償則指將所測(cè)誤差值與誤差文件進(jìn)行對(duì)比，由數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)對(duì)比結(jié)果修改現(xiàn)有的車床加工程序，從加工工序、刀具運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整等方面優(yōu)化當(dāng)前的車床數(shù)控程序[4]。

4 空間誤差補(bǔ)償綜合建模

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

采取某種形式將多個(gè)柔體或者剛體聯(lián)接組成的機(jī)械系統(tǒng)即為多體系統(tǒng)。它能夠有效、抽象地描述完整的生產(chǎn)加工體系，利于復(fù)雜的機(jī)械加工系統(tǒng)研究。多體系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，系統(tǒng)性強(qiáng)，可用于空間位置誤差的建模，確保模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和實(shí)際效益。該系統(tǒng)的理論特點(diǎn)是通過(guò)低序陣列描述系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而獲得任意兩個(gè)物體之間的位置關(guān)系。數(shù)控機(jī)床是一個(gè)特殊、典型的多體系統(tǒng)。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 多體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 準(zhǔn)確建立坐標(biāo)系

系統(tǒng)加工建模過(guò)程中，需要相關(guān)工作人員全面研究分析系統(tǒng)位置、坐標(biāo)以及理想?yún)?shù)，建立機(jī)床零部件的坐標(biāo)系，確保高中低體坐標(biāo)關(guān)系的順利轉(zhuǎn)化，全面分析、掌握系統(tǒng)內(nèi)物體之間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。建立零部件的坐標(biāo)系時(shí)，相關(guān)工作人員的首要任務(wù)是建立準(zhǔn)確的坐標(biāo)系，以便進(jìn)行綜合誤差模型的建立與操作，也可在一定程度上減少模型建立過(guò)程中的誤差。

4.3 分析坐標(biāo)誤差

通常而言，數(shù)控機(jī)床加工部件定位和方向的確定需要從6個(gè)自由度入手，其中自由度轉(zhuǎn)角和平移各3個(gè)，因此機(jī)床加工中會(huì)有6個(gè)誤差源。對(duì)于3坐標(biāo)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸只有3個(gè)。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)沿著X軸進(jìn)行時(shí)，圍繞3個(gè)軸方向出現(xiàn)角度位移誤差及沿3個(gè)軸方向會(huì)出現(xiàn)線性位移誤差。圖4為X軸位置誤差。

圖4 X軸位置誤差

由此可以得出沿其他兩軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。此外，3條坐標(biāo)軸之間還存在3項(xiàng)垂直誤差，3坐標(biāo)機(jī)床空間誤差共有21項(xiàng)。圖5為垂直誤差圖。

圖5 垂直誤差

4.4 正確識(shí)別空間誤差參數(shù)

對(duì)誤差進(jìn)行辨別，是研究誤差補(bǔ)償工作的前提。正確進(jìn)行誤差識(shí)別是確保系統(tǒng)補(bǔ)償精度的重要措施。目前，以多體系統(tǒng)為基礎(chǔ)的誤差識(shí)別技術(shù)得到了相關(guān)人員的關(guān)注，其中運(yùn)用9線法可獲得全部參數(shù)值。例如，基于X軸，在平面YOZ內(nèi)選擇3個(gè)點(diǎn)位，3點(diǎn)之間互不相關(guān)，然后通過(guò)激光干涉設(shè)備測(cè)量3點(diǎn)沿著X軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差值。

4.4.1 誤差參數(shù)傳統(tǒng)測(cè)量法

通過(guò)激光干涉設(shè)備識(shí)別空間誤差參數(shù)，主要分為傳統(tǒng)測(cè)量法和基于傳統(tǒng)的測(cè)量法等[5]。傳統(tǒng)測(cè)量能夠解決比較復(fù)雜的機(jī)床運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，有效控制數(shù)據(jù)誤差，提高測(cè)量效率，減少操作工作量，降低測(cè)量難度。誤差測(cè)量中，通過(guò)激光干涉設(shè)備傳統(tǒng)測(cè)量法可有效識(shí)別機(jī)床定位誤差，測(cè)量滾角誤差，取得有效的誤差補(bǔ)償。

4.4.2 基于傳統(tǒng)測(cè)量誤差參數(shù)測(cè)量法

基于傳統(tǒng)測(cè)量方法的激光干涉設(shè)備參數(shù)識(shí)別，在傳統(tǒng)測(cè)量的基礎(chǔ)上分析機(jī)床的空間誤差，對(duì)誤差的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，測(cè)定線上誤差元素，同時(shí)分析測(cè)得的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)模型獲得位置誤差。該方法有效降低了線路測(cè)量的工作量和測(cè)量誤差經(jīng)費(fèi)，提高了綜合誤差測(cè)量的有效性、測(cè)量誤差元素的效率以及測(cè)量誤差補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。但是，實(shí)際測(cè)量中，基于傳統(tǒng)測(cè)量方法的激光干涉設(shè)備比較復(fù)雜，通常需要運(yùn)用特殊的測(cè)量元件，對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了較高要求。

4.4.3 多自由度空間誤差參數(shù)測(cè)量方法

多自由度位置誤差參數(shù)測(cè)量主要利用9線識(shí)別法分析處理機(jī)床空間誤差中存在的問(wèn)題，對(duì)加工件進(jìn)行多個(gè)自由度測(cè)量。該方法在測(cè)量中可利用既有激光干涉設(shè)備一次測(cè)量多自由度，分析線性軸誤差。多自由度干涉測(cè)量空間誤差的參數(shù)，同時(shí)測(cè)定3個(gè)坐標(biāo)軸的方向，運(yùn)用工作臺(tái)，在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)便可完成全部的誤差測(cè)量工作，大大提高了測(cè)量效率。

5 數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展存在的不足

就目前機(jī)械加工行業(yè)的現(xiàn)狀來(lái)看，誤差補(bǔ)償技術(shù)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度的運(yùn)用目標(biāo)，但是實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)大部分機(jī)床制造企業(yè)并沒有完全掌握該項(xiàng)技術(shù)，機(jī)床誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展還存在諸多不足。例如：誤差補(bǔ)償空間建模缺乏通用性和程序化程度低，不能在同類型不同數(shù)控機(jī)床上使用數(shù)學(xué)模型；辨別誤差參數(shù)的技術(shù)不夠成熟，不能快速識(shí)別誤差；生產(chǎn)企業(yè)投放到誤差補(bǔ)償技術(shù)研發(fā)方面的經(jīng)費(fèi)不足，不能在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)有效嵌入補(bǔ)償技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用規(guī)模較??；加工誤差受加工對(duì)象的影響，如被加工件的材料、質(zhì)量等問(wèn)題造成加工原件的屬性缺乏均衡性等[6]。

可見，想要促進(jìn)誤差補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)性和廣泛性發(fā)展，應(yīng)當(dāng)增加研究誤差補(bǔ)償?shù)牧Χ?，由?jiǎn)到繁逐步建立合理的誤差模型，健全應(yīng)用補(bǔ)償技術(shù)的體系，如多體系統(tǒng)機(jī)床位置誤差綜合模型補(bǔ)償、三軸機(jī)床21項(xiàng)空間誤差參數(shù)以及九線識(shí)別誤差參數(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用可不斷提高識(shí)別誤差的精準(zhǔn)度和效率，從而有效提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械加工生產(chǎn)中運(yùn)用誤差補(bǔ)償技術(shù)是機(jī)床精度和生產(chǎn)效益提高的重要工具，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。針對(duì)誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究，需要相關(guān)工作人員全面了解和掌握誤差補(bǔ)償技術(shù)，深入研究補(bǔ)償技術(shù)的拓展空間，強(qiáng)化誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)際效果，促進(jìn)我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)穩(wěn)固、健康發(fā)展。