數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度提升中誤差補(bǔ)償法的實(shí)踐研究

王少彬

摘 要：誤差是數(shù)控領(lǐng)域永恒探究的問(wèn)題，在實(shí)際的機(jī)械加工中，經(jīng)常會(huì)由于各種原因造成加工精度上的誤差，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)在數(shù)控領(lǐng)域機(jī)械加工精度中的工藝不斷提高，文章就數(shù)控機(jī)床加工精度提升中誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；機(jī)械加工；精度提升；誤差補(bǔ)償；技術(shù)探討

前言

機(jī)械加工精度是指工件再加工后的實(shí)際幾何參數(shù)與零件圖紙所規(guī)定的理想值相符合的程度，他們之間的不符合稱為加工誤差，隨著數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工領(lǐng)域的高級(jí)精度、高質(zhì)量、高精度方向的不斷發(fā)展，對(duì)于在加工精度上面有了越來(lái)越高的要求，通過(guò)科學(xué)的誤差補(bǔ)償技術(shù)可以有效的預(yù)防和改善加工精度，本文就具體的加工精度誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行分析探討，以供相關(guān)人士參考。

1 機(jī)械加工誤差的分析

（1）加工原理誤差。加工原理誤差是在實(shí)際的機(jī)械零件加工過(guò)程中，使用和理論加工方法類似的技術(shù)、刀具輪廓以及傳動(dòng)比等使得產(chǎn)生的零件參數(shù)與理論有所偏差。這也是數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工中最常出現(xiàn)的精度誤差原因。產(chǎn)生這種誤差的原因有兩種：a.實(shí)際的加工中使用類似的加工方法，在數(shù)控機(jī)床的實(shí)際操作中，為了使加工的流程看起來(lái)和理論相似，使用的加工方法和理論上有所差距，這必然會(huì)造成加工原理上的誤差。b.實(shí)際機(jī)械加工中使用的工具和理論模具不一樣，比如刀具輪廓的使用，理論上機(jī)械加工要求刀具應(yīng)當(dāng)具有很高精度的刀具曲面，但是實(shí)際操作中，機(jī)械加工的刀具不能達(dá)到理想的要求，一般會(huì)采用近似的刀具曲面，像弧線、直線等線性進(jìn)行替代，這種情況就會(huì)造成刀具輪廓加工過(guò)程中帶來(lái)的加工理論誤差。（2）工藝系統(tǒng)誤差。a.機(jī)械零件受力點(diǎn)位置變化引起誤差。在機(jī)械加工工藝的生產(chǎn)中，工藝系統(tǒng)的切削著力點(diǎn)通常會(huì)伴隨著切削的位置進(jìn)行變化，兩者之間位置的變化，使得加工零件受力點(diǎn)在不斷變化，在位置的交錯(cuò)中，會(huì)造成一定的誤差。b.機(jī)械加工受力程度的變化引起誤差。在機(jī)械加工中，零件受力點(diǎn)在不斷變化過(guò)程中，點(diǎn)受到的切削程度也會(huì)不一樣，由于被加工的零件本身就存在材質(zhì)、形狀和尺寸的不均勻情況，在加工的過(guò)程中就會(huì)形成不同受力點(diǎn)切削的力度不一，形成加工工藝中的誤差。

2 數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度提升的誤差補(bǔ)償技術(shù)

在現(xiàn)代科技的發(fā)展和應(yīng)用中，保證機(jī)械加工的精度的方法有兩種，一是提高數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量，二是采用誤差補(bǔ)償技術(shù)，本文著重從誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行精度提升的研究。誤差補(bǔ)償一般又可以分為誤差預(yù)防和誤差補(bǔ)償技術(shù)，在誤差補(bǔ)償技術(shù)中常用的方法是誤差建模、誤差測(cè)量、誤差補(bǔ)償實(shí)施。

（1）硬件靜態(tài)補(bǔ)償法。在機(jī)械加工精度控制中利用硬件靜態(tài)補(bǔ)償法是指通過(guò)添加外部硬件機(jī)構(gòu)，在外力的作用下讓機(jī)床運(yùn)用副位置產(chǎn)生與誤差方向相反的運(yùn)動(dòng)來(lái)減少加工中的誤差。在加工螺絲時(shí)由于加工機(jī)床絲杠之間存在誤差，通過(guò)螺距校正尺來(lái)進(jìn)行絲杠之間的螺距，就屬于是靜態(tài)補(bǔ)償法。由于靜態(tài)補(bǔ)償法的局限性，只能在停止時(shí)進(jìn)行數(shù)值或者是硬件的參數(shù)調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償，在運(yùn)動(dòng)時(shí)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，這種硬件靜態(tài)補(bǔ)償法被使用的頻率相對(duì)較低，一般會(huì)和其他方法進(jìn)行綜合使用。（2）靜態(tài)補(bǔ)償法和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法綜合使用。上面已經(jīng)給提到靜態(tài)補(bǔ)償法是在數(shù)控機(jī)床加工的靜止時(shí)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，這種補(bǔ)償法可以對(duì)精度進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償提高，不能在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行隨機(jī)的誤差補(bǔ)償，通過(guò)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法的相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)加工精度的大大提高。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是在加工的切削情況下，依據(jù)機(jī)床的工況、環(huán)境條件和空間位置的變化追蹤進(jìn)行補(bǔ)償量亦或參數(shù)補(bǔ)償，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)現(xiàn)狀進(jìn)行反饋補(bǔ)償，例如在軸承的機(jī)床加工中，通過(guò)對(duì)熱量、幾何形狀、切削程度的監(jiān)控進(jìn)行及時(shí)的參數(shù)修改補(bǔ)償，是一種具有現(xiàn)實(shí)實(shí)際意義的誤差補(bǔ)償法，但對(duì)于數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平要求極高，投入的成本很大。（3）進(jìn)給伺服系統(tǒng)補(bǔ)償法。伺服系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。這種補(bǔ)償系統(tǒng)可以正反兩個(gè)方向運(yùn)行，能夠根據(jù)加工軌跡的要求，進(jìn)行實(shí)時(shí)的正向或者反向運(yùn)動(dòng)，其加工控制精度可以達(dá)到0.1微米，另外它的調(diào)速范圍寬、快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)、低速大轉(zhuǎn)矩。在典型的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的角位移或者線位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，它將指令脈沖變成步進(jìn)電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制機(jī)床加工；閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)，它主要是采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位移可通過(guò)檢測(cè)裝置及時(shí)反饋給數(shù)控裝置中的比較器，以便于指令位移信號(hào)進(jìn)行比較，兩者差距有作為伺服電機(jī)的控制信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)消除位移誤差；半閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)由位置控制單元和速度控制單元構(gòu)成，光電脈沖編碼器發(fā)出的脈沖，一方面用作位置的反饋信號(hào)，另一方面用作測(cè)速信號(hào)。當(dāng)點(diǎn)擊的負(fù)載變化時(shí)候，反饋脈沖信號(hào)的頻率將會(huì)隨著變化，在實(shí)際的機(jī)床加工中，通過(guò)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精度誤差的減小。（4）修改G代碼補(bǔ)償法。G代碼是編制機(jī)床加工程序的語(yǔ)言，G代碼中有刀具的補(bǔ)償功能，像G44、G43是刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。G代碼的補(bǔ)償原理是通過(guò)對(duì)刀位信息的修改來(lái)補(bǔ)償誤差的范圍。這種補(bǔ)償也被廣泛用于數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工誤差補(bǔ)償，例如Hsu等人建立的五軸機(jī)床誤差補(bǔ)償模型，根據(jù)對(duì)模型對(duì)CAM軟件生成的初始刀位進(jìn)行修改，用修改G代碼的方法完成數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工誤差補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法需要G代碼的編程人員進(jìn)行工件的幾何形狀確定，確定工藝過(guò)程和刀具軌跡，在進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)行中，如果出現(xiàn)位置偏移就需要通過(guò)修改G代碼進(jìn)行誤差補(bǔ)償，一般運(yùn)用于比較簡(jiǎn)單的加工零件，其形狀不復(fù)雜，主要是直線和圓弧組成的輪廓，數(shù)據(jù)的處理量不大，在遇到工作量大，復(fù)雜的零件時(shí)候，就需要通過(guò)計(jì)算機(jī)的G代碼控制進(jìn)行修改，程序員通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行編程。（5）坐標(biāo)偏置補(bǔ)償法。坐標(biāo)偏置補(bǔ)償法是利用數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)偏移，參照位置等信號(hào)的反饋進(jìn)行機(jī)床誤差的補(bǔ)償。在程序員進(jìn)行操作時(shí)候，可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的直觀顯示進(jìn)行零件加工的誤差校對(duì)，對(duì)于出現(xiàn)誤差的，可以通過(guò)操作數(shù)控系統(tǒng)對(duì)原點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行重新設(shè)置，使其對(duì)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方法適用于三軸坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床。這種補(bǔ)償法一般在使用側(cè)頭時(shí)候用的是固定側(cè)頭，同時(shí)還需要一定的軟件補(bǔ)償，保證地基的穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，誤差補(bǔ)償法可以有效的提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度，并能夠給數(shù)控機(jī)床帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。誤差補(bǔ)償可以有效的控制數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工過(guò)程的零件精度，有助于提高機(jī)械加工工藝技術(shù)，能夠適應(yīng)數(shù)控機(jī)械加工企業(yè)的高級(jí)精度、高級(jí)質(zhì)量水平化發(fā)展方向。誤差補(bǔ)償法是在原有數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)的技術(shù)和手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)的理論值，目前誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用和被相關(guān)學(xué)者所關(guān)注，并且在通過(guò)不斷完善和更新誤差補(bǔ)償技術(shù)，使其成為現(xiàn)代社會(huì)精密工程的主要技術(shù)。

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