數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究

程 志

(齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,黑龍江 齊齊哈爾 161005)

數(shù)控機(jī)床誤差主要包括幾何誤差、熱誤差、切削力誤差等，這三項(xiàng)誤差占總加工誤差的80%左右。幾何誤差是由機(jī)床本身制造、裝配缺陷造成的誤差；熱誤差是由機(jī)床溫度變化而引起熱變形造成的誤差；切削力誤差是由機(jī)床切削力引起力變形造成的誤差。如何在生產(chǎn)中提高機(jī)床加工精度，減小誤差呢？

目前我們大多采用兩種方法誤差預(yù)防法和誤差補(bǔ)償法，誤差預(yù)防法是通過(guò)設(shè)計(jì)和制造途徑消除或減少可能的誤差源，靠提高機(jī)床制造精度來(lái)滿足加工精度要求。這種方法即使能夠?qū)崿F(xiàn)，再制造過(guò)程中成本也會(huì)很高，對(duì)加工技術(shù)、技工水平要求也很高這是一種需要基于硬件發(fā)展的技術(shù)。而誤差補(bǔ)償法是使用軟件技術(shù)，是一種既有效又經(jīng)濟(jì)的提高機(jī)床加工精度的手段。通過(guò)誤差補(bǔ)償可在機(jī)床上加工出超過(guò)機(jī)床本身精度的工件。近年來(lái)，誤差補(bǔ)償技術(shù)得以迅速發(fā)展和推廣，已成為現(xiàn)代精密工程的重要技術(shù)支柱之一。數(shù)控機(jī)床誤差動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償已列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”表明我國(guó)政府對(duì)數(shù)控機(jī)床誤差動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)的高度重視。文章主要從幾何誤差、熱誤差、切削力誤差3個(gè)方面研究數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)。

1 幾何誤差補(bǔ)償分析

在數(shù)控機(jī)床技工過(guò)程中幾何誤差相對(duì)穩(wěn)定，易于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。幾何誤差產(chǎn)生的原因，普遍認(rèn)為數(shù)控機(jī)床的幾何誤差由以下8方面原因引起:

（1）機(jī)床的原始制造誤差。是指由組成機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀、表面質(zhì)量、相互之間的位置誤差所引起的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差，是數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的主要原因。

（2）機(jī)床的控制系統(tǒng)誤差。包括機(jī)床軸系的伺服誤差（輪廓跟隨誤差），數(shù)控插補(bǔ)算法誤差。

（3）熱變形誤差。由于機(jī)床的內(nèi)部熱源和環(huán)境熱擾動(dòng)導(dǎo)致機(jī)床的結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差。

（4）切削負(fù)荷造成工藝系統(tǒng)變形所導(dǎo)致的誤差。包括機(jī)床、刀具、工件和夾具變形所導(dǎo)致的誤差。這種誤差又稱為“讓刀”，它造成加工零件的形狀畸變，尤其當(dāng)加工薄壁工件或使用細(xì)長(zhǎng)刀具時(shí)，這一誤差更為嚴(yán)重。

（5）機(jī)床的振動(dòng)誤差。在切削加工時(shí)，數(shù)控機(jī)床由于工藝的柔性和工序的多變，其運(yùn)行狀態(tài)有更大的可能性落入不穩(wěn)定區(qū)域，從而激起強(qiáng)烈的顫振。導(dǎo)致加工工件的表面質(zhì)量惡化和幾何形狀誤差。

（6）檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差。包括以下2個(gè)方面:①由于測(cè)量傳感器的制造誤差及其在機(jī)床上的安裝誤差引起的測(cè)量傳感器反饋系統(tǒng)本身的誤差；②由于機(jī)床零件和機(jī)構(gòu)誤差以及在使用中的變形導(dǎo)致測(cè)量傳感器出現(xiàn)的誤差。

（7）外界干擾誤差。由于環(huán)境和運(yùn)行工況的變化所引起的隨機(jī)誤差。

（8）其它誤差。針對(duì)誤差的不同類型，實(shí)施誤差補(bǔ)償可分為兩大類:第一類是單項(xiàng)誤差合成補(bǔ)償法。這種補(bǔ)償方法是以誤差合成公式為理論依據(jù)，首先通過(guò)直接測(cè)量法測(cè)得到機(jī)床的各項(xiàng)單項(xiàng)原始誤差值，由誤差合成公式計(jì)算補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的誤差補(bǔ)償；第二類是誤差直接補(bǔ)償法。這種方法要求精確地測(cè)出機(jī)床空間矢量誤差，補(bǔ)償精度要求越高，測(cè)量精度和測(cè)量的點(diǎn)數(shù)就要求越多，但要詳盡地知道測(cè)量空間任意點(diǎn)的誤差是不可能的，利用插值的方法求得補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量，進(jìn)行誤差修正，該種方法要求建立和補(bǔ)償時(shí)一致的絕對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系。進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的幾何誤差補(bǔ)償，誤差測(cè)量是關(guān)鍵，誤差模型是基礎(chǔ)。

2 熱誤差補(bǔ)償分析

到目前為止，熱的作用依然是影響機(jī)床尺寸誤差和重復(fù)性的最大獨(dú)立因素。經(jīng)驗(yàn)表明，由熱變形引起的誤差占全部誤差的40%～70%。

減少機(jī)床熱誤差通常有以下方法:①改進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)和材料。②采用熱執(zhí)行裝置控制機(jī)床重要部件的溫度。③研究溫度分布和熱變形之間的關(guān)系，并建立數(shù)學(xué)模型，用軟件預(yù)報(bào)誤差，通過(guò)NC裝置補(bǔ)償，以減少或消除由熱變形引起的機(jī)床刀具位移。

目前，有兩種不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償:反饋中斷補(bǔ)償法和原點(diǎn)平移補(bǔ)償法。反饋中斷補(bǔ)償法是通過(guò)將熱誤差模型的計(jì)算數(shù)值直接插入到伺服系統(tǒng)的位置反饋環(huán)中而實(shí)現(xiàn)的。熱誤差補(bǔ)償控制器獲取進(jìn)給驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的編碼器反饋信號(hào)，同時(shí)，該補(bǔ)償控制器還計(jì)算機(jī)床的熱誤差，且將等同于熱誤差的數(shù)字信號(hào)與編碼器信號(hào)相加減，伺服系統(tǒng)據(jù)此實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)床的進(jìn)給位置。原點(diǎn)平移補(bǔ)償法原理是熱誤差補(bǔ)償控制器計(jì)算機(jī)床的熱誤差，這些誤差量作為補(bǔ)償信號(hào)被送至CNC控制器，而后通過(guò)CNC控制系統(tǒng)中PLC的I/O口平移參考原點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)熱誤差量的補(bǔ)償。

3 切削力誤差補(bǔ)償分析

切削力誤差是指數(shù)控機(jī)床加工時(shí)產(chǎn)生的切削力導(dǎo)致刀具、機(jī)床、工件的變形，從而使實(shí)際切削位置與理論切削位置發(fā)生偏移而產(chǎn)生的誤差，切削力直接作用于刀具和工件，不僅使二者變形，也使機(jī)床主軸、工作臺(tái)乃至整個(gè)機(jī)床產(chǎn)生變形，切削力誤差就是綜合這些變形產(chǎn)生的。

隨著強(qiáng)力、高效切削方式的推進(jìn)以及難加工材料的加工,由切削力引起的工件加工誤差不容忽視。切削力誤差直接測(cè)量法,實(shí)現(xiàn)了工作過(guò)程中切削力和誤差數(shù)值的直接對(duì)應(yīng)。數(shù)控機(jī)床上切削力變化會(huì)引起主軸伺服電機(jī)電流的變化，對(duì)機(jī)床主軸電機(jī)電流的測(cè)量比較容易和簡(jiǎn)單，所以，通過(guò)主軸電機(jī)電流變化來(lái)估計(jì)切削力大小是一種經(jīng)濟(jì)而又簡(jiǎn)便的方法。利用模糊神經(jīng)理論建立魯棒性強(qiáng)的切削力誤差綜合模型，最后給出在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)切削力誤差實(shí)施補(bǔ)償?shù)姆桨?，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該補(bǔ)償方案可大幅度提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。

4 結(jié)語(yǔ)

誤差補(bǔ)償研究已經(jīng)歷了幾十年的歷史，已達(dá)到了一定的成熟階段，但并還會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，特別是在我國(guó)數(shù)控機(jī)床的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用中，還有待于我們有關(guān)人員的進(jìn)一步研究，讓我們共同努力，以既有效又經(jīng)濟(jì)的高技術(shù)手段，進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床加工精度，并向國(guó)內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)和機(jī)床使用單位推廣和應(yīng)用數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高我國(guó)的機(jī)床及制造裝備技術(shù)水平，增大國(guó)產(chǎn)機(jī)床在市場(chǎng)中的份額，并將我們的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展到國(guó)際先進(jìn)乃至領(lǐng)先水平。