數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

胡建中

[摘要]隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，它的精度問題也隨之受到關(guān)注。近年來，隨著我國數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的突破，開始關(guān)注數(shù)控機(jī)床的性能，數(shù)控機(jī)床精度的研究受到重視。誤差補(bǔ)償法是人為地造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問題的原始誤差，是一種既有效又經(jīng)濟(jì)的提高機(jī)床加工精度手段，其工程意義是非常顯著的。對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TH12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1871-7597(2009)0610120-01

提高機(jī)床精度有兩種基本方法，誤差防止和誤差補(bǔ)償，誤差防止是通過設(shè)計(jì)和制造途徑清除可能的誤差源，單純采用誤差預(yù)防的方法來提高機(jī)床的加工精度是十分困難的。其原因一是機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械和電氣零部件很多，其中任何零部件的誤差均可能累計(jì)成為機(jī)床的總體誤差或加工誤差。為控制誤差源，對(duì)每一個(gè)部件的誤差加以極其嚴(yán)格的限制，這往往是無法辦到的，即使可以辦到，也是非常不經(jīng)濟(jì)的；第二個(gè)原因是加工條件和外界環(huán)境在發(fā)生不斷的、有時(shí)是無法預(yù)測的變化，導(dǎo)致機(jī)床本身的誤差和加工誤差也會(huì)不斷地發(fā)生變化，要事先預(yù)估或預(yù)防這些誤差是辦不到的。因此，單純采用誤差預(yù)防的策略，往往難于奏效，而必須輔以誤差補(bǔ)償?shù)牟呗浴?/p>

誤差補(bǔ)償是根據(jù)對(duì)誤差的檢測分析，在加工過程中從硬件上或軟件上對(duì)這種誤差進(jìn)行修正，達(dá)到降低誤差，提高加工精度的日的，比較靈活通用。誤差補(bǔ)償又分為兩類，預(yù)先標(biāo)定誤差補(bǔ)償和主動(dòng)誤差補(bǔ)償。預(yù)先標(biāo)定誤差補(bǔ)償包括軟件誤差補(bǔ)償和硬件誤差補(bǔ)償，其中軟件補(bǔ)償比較方便實(shí)用，基本包括三個(gè)階段，建立誤差模型，原始誤差參數(shù)測量，辨識(shí)誤差并進(jìn)行補(bǔ)償。誤差補(bǔ)償一般是采用“誤差建?！珯z測～補(bǔ)償”的方法來抵消誤差。由于數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)是由各數(shù)控伺服軸的運(yùn)動(dòng)合成刀刃的加工軌跡，因此只要能測量出機(jī)床加工時(shí)刀刃在加工空間中的軌跡誤差矢量，把該矢量分解為各運(yùn)動(dòng)軸的分矢量，使各驅(qū)動(dòng)軸在執(zhí)行各加工指令時(shí)，多執(zhí)行相反方向誤差分矢量的當(dāng)量數(shù)字的脈沖運(yùn)動(dòng)指令，就能達(dá)到加工誤差補(bǔ)償?shù)哪康?。?shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ò丛砜煞譃椋浩骄ǎ洪]環(huán)法；誤差分離法；誤差檢定法：差動(dòng)法；誤差預(yù)測法。誤差補(bǔ)償?shù)念愋桶雌涮卣骺煞譃椋簩?shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償，硬件補(bǔ)償與軟件補(bǔ)償，靜態(tài)補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

一、實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償

在非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償中，誤差的檢測與補(bǔ)償是分離的。一般來說，非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差部分，實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償不僅補(bǔ)償系統(tǒng)誤差而且還能補(bǔ)償相當(dāng)大的一部分隨機(jī)誤差。靜態(tài)誤差都廣泛采用非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)，而熱變形誤差總是采用實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償。非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償成本低，實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償成本高。只有制造超高精度裝備時(shí)，才采用實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)。此外，在動(dòng)態(tài)加工過程中，誤差值迅速變化，而補(bǔ)償總有時(shí)間滯后，實(shí)時(shí)補(bǔ)償不可能補(bǔ)償全部誤差。

二、硬件補(bǔ)償與軟件補(bǔ)償

在機(jī)床加工中誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)都是靠改變切削刀刃與工件的相對(duì)位置來達(dá)到，硬件補(bǔ)償法是采用機(jī)械的方法，來改變機(jī)床的加工刀具與工件的相對(duì)位置達(dá)到加工誤差補(bǔ)償?shù)哪康?。與利用微機(jī)的軟件補(bǔ)償相比，此方法顯得十分笨拙，要改變補(bǔ)償量，需改制凸輪，校正尺等補(bǔ)償裝置，或至少得重新調(diào)整，很不方便。再者，這種方法對(duì)局部誤差(短周期誤差)一般無法補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償是數(shù)控機(jī)床特有的補(bǔ)償方法，一般的機(jī)床上無法實(shí)現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床是靠微機(jī)執(zhí)行數(shù)控加工的指令代碼，使切削刀具與被切削工件之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，數(shù)控機(jī)床存在軟件補(bǔ)償?shù)臐撃?。軟件補(bǔ)償是通過修改數(shù)控加工代碼或執(zhí)行補(bǔ)償指令來實(shí)現(xiàn)加工誤差的補(bǔ)償。由于軟件補(bǔ)償克服了硬件補(bǔ)償?shù)睦щy和缺點(diǎn)，逐漸取代了誤差的硬件補(bǔ)償方法，使誤差的硬件補(bǔ)償方法已成為歷史。

三、靜態(tài)補(bǔ)償法與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法

誤差的靜態(tài)補(bǔ)償是指數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)，補(bǔ)償量或補(bǔ)償參數(shù)不變。它只能按預(yù)置的設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償，而不能按實(shí)際情況改變補(bǔ)償量或補(bǔ)償參數(shù)。采用靜態(tài)補(bǔ)償方法只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差而不能補(bǔ)償隨機(jī)誤差。動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償是指在切削加工條件下，能根據(jù)機(jī)床工況、環(huán)境條件和空間位置的變化來跟蹤、調(diào)整補(bǔ)償量或補(bǔ)償參數(shù)，是一種反饋補(bǔ)償方法。它不但能補(bǔ)償機(jī)床系統(tǒng)誤差，也可以補(bǔ)償部分隨機(jī)誤差，能對(duì)幾何誤差、熱誤差和切削載荷誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法可以獲得較佳的補(bǔ)償效果，是數(shù)控機(jī)床最有前途的誤差補(bǔ)償方法，但需要較高的技術(shù)水平和較高的附加成本。誤差補(bǔ)償技術(shù)，解決了高精度與低成本之間的矛盾，應(yīng)用誤差補(bǔ)償技術(shù)提高機(jī)床的加工精度，已是必然的發(fā)展趨勢。在誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1誤差補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)學(xué)模型應(yīng)滿足完整性、分解性與實(shí)用性。完整性指覆蓋機(jī)床整個(gè)工作空間。分解性指根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)確定各項(xiàng)原始誤差?，F(xiàn)有的大多數(shù)誤差檢測方法均不能同時(shí)滿足所有這些要求，所檢測得到的只是工作空間中某些區(qū)域上的加工誤差。

2所有的誤差成份需要通過實(shí)際測量獲得，誤差補(bǔ)償?shù)男Ч耆Q于誤差辯識(shí)的準(zhǔn)確性，因此，應(yīng)加強(qiáng)誤差測量方法的研究，提高測量的精度和測量效率。測試技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步向多用途和在線測量方向發(fā)展，研究出能進(jìn)行機(jī)床加工中的刀具動(dòng)態(tài)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測的裝置。發(fā)展能分解出誤差根源的檢測方法，具有重要實(shí)用價(jià)值。

3目前的研究成果大多所涉及的誤差源為機(jī)床零部件的制造誤差，熱變形、載荷誤差，而且只在幾何誤差補(bǔ)償方面得到實(shí)用化，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)床熱變形、載荷誤差的補(bǔ)償技術(shù)研究，特別是機(jī)床在高速切削情況下，機(jī)床動(dòng)態(tài)特性與加工誤差的關(guān)系研究。

4靜態(tài)補(bǔ)償法在單項(xiàng)誤差源的補(bǔ)償中已有實(shí)用化的成功例子，而綜合的補(bǔ)償法還處在研究階段。目前誤差補(bǔ)償技術(shù)只涉及位置矢量，由于機(jī)床的加工誤差不僅與位置有關(guān)，還與加工時(shí)的速度和加速度有關(guān)，因此應(yīng)研究機(jī)床誤差與速度和加速度的的關(guān)系，建立動(dòng)態(tài)切削加工情況下的精確數(shù)據(jù)模型或者有效的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停箼C(jī)床的誤差補(bǔ)償應(yīng)用范圍更廣，效果更佳。

5誤差補(bǔ)償?shù)男Чc機(jī)床本身的原始精度有關(guān)，當(dāng)機(jī)床的定位精度好時(shí)補(bǔ)償?shù)男Ч琶黠@。誤差補(bǔ)償技術(shù)只是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的輔助手段，想要從根本上改變我國數(shù)控機(jī)床的面貌，必須從機(jī)床設(shè)計(jì)制造的全方位著手。