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)踐與探究

孫 磊 王東新1， 李軍義1，

1.西北稀有金屬材料研究院稀有金屬特種材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寧夏 石嘴山 753000

2.西北稀有金屬材料研究院鈹材研究所 寧夏 石嘴山 753000

1 引言

在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床開展機(jī)械加工作業(yè)中，經(jīng)過加工后的工件，其實(shí)際的幾何尺寸與設(shè)計(jì)圖紙中的尺寸要求之間的符合程度就是機(jī)械加工精度，二者之間的差值就是加工誤差。加工誤差也一直是數(shù)控加工以及機(jī)械行業(yè)中研究的重點(diǎn)。在目前數(shù)控行業(yè)在不斷發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，也對(duì)機(jī)械加工精度的要求在不斷提高，這就需要針對(duì)各種原因引起的誤差進(jìn)行研究，通過相應(yīng)的補(bǔ)償法來不斷提升加工精度。為了提升數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度，需要通過對(duì)機(jī)械加工中加工誤差的研究和控制，以及對(duì)各種機(jī)械加工誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出常用且有效的誤差補(bǔ)償方法，滿足數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度的要求。

2 機(jī)械加工誤差的分析

2.1 加工原理誤差 此種誤差是數(shù)控加工中最為常見的誤差類型，主要是在加工零件時(shí)按照理論上的技術(shù)、刀具輪廓以及傳動(dòng)比等要求進(jìn)行實(shí)際加工產(chǎn)生的實(shí)際參數(shù)與理論數(shù)值之間的偏差。這主要是由于雖然實(shí)際加工中所采用的加工流程看起來與理論相似，但是加工方法與理論上有所差距，這就會(huì)導(dǎo)致此類誤差的出現(xiàn)?；蛘呤菍?shí)際操作中的刀具曲面無法滿足理論上的理想要求的問題，而是通過近似刀具曲面來代替，這就會(huì)在刀具輪廓加工中造成此類誤差。

2.2 工藝系統(tǒng)誤差 在數(shù)控加工中，此類誤差主要由零件受力點(diǎn)位置變化或者是受力程度變化而引起。對(duì)于前者來說，機(jī)械加工中切削位置變化會(huì)改變切削著力點(diǎn)，此種變化改變加工零件的受力點(diǎn)，而且會(huì)造成在位置交錯(cuò)中出現(xiàn)誤差問題。針對(duì)后者來說，在零件受力點(diǎn)變化的同時(shí)也會(huì)影響此點(diǎn)受到的切削程度，加之零件本身存在不同的材質(zhì)、形狀以及尺寸等特點(diǎn)，結(jié)合不同受力點(diǎn)的不同切削力度，就容易造成加工工藝中的誤差問題。

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

3.1 硬件靜態(tài)補(bǔ)償法 此種方法是通過外部硬件機(jī)構(gòu)的添加，通過機(jī)構(gòu)來施加外力，在此外力的影響下可以在機(jī)床加工過程中的副位置產(chǎn)生與誤差方向相反的運(yùn)動(dòng)，以此來實(shí)現(xiàn)誤差的減少。比如在對(duì)螺絲進(jìn)行加工時(shí)，針對(duì)加工機(jī)床絲杠之間的誤差問題，可以應(yīng)用螺距校正尺來對(duì)絲杠之間的螺距進(jìn)行校正。此種方法只能在機(jī)床停止運(yùn)行時(shí)應(yīng)用，或者是對(duì)硬件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，無法在加工過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，具有一定的應(yīng)用局限性，通常會(huì)與其他方法進(jìn)行綜合應(yīng)用。圖3.1所示就是其中的RTCP參數(shù)補(bǔ)償法的原理。

圖3.1 RTCP誤差補(bǔ)償原理圖

3.2 靜態(tài)補(bǔ)償法與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法的綜合應(yīng)用 針對(duì)靜態(tài)補(bǔ)償法的優(yōu)勢(shì)以及無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，提出了將其與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法結(jié)合的綜合方法。對(duì)于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法來說，就是在加工作業(yè)過程中，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行工況、運(yùn)行環(huán)境以及空間位置的變化情況來進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，并開展實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，并且通過運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)現(xiàn)狀來進(jìn)行反饋補(bǔ)償。比如在對(duì)軸承的機(jī)械加工中可以在監(jiān)控?zé)崃?、幾何形狀以及切削程度的同時(shí)來對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改和補(bǔ)償。此種方法的對(duì)于數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平以及成本投入較高。綜合誤差檢測(cè)原理如圖3.2所示。

圖3.2 誤差檢測(cè)方法

3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)補(bǔ)償法 在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是對(duì)各個(gè)加工坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)起到驅(qū)動(dòng)作用的傳動(dòng)裝置，此種補(bǔ)償方法就是從正反兩個(gè)方向結(jié)合加工軌跡所開展的補(bǔ)償方法。通過此種補(bǔ)償方法的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)加工精度控制到0.1微米的要求，而且在實(shí)際應(yīng)用中還表現(xiàn)出具有較寬的調(diào)速范圍、響應(yīng)快速、不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)以及低速大轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)。

以典型的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)為例，其開環(huán)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，而且此電機(jī)的角位移或者線位移與脈沖數(shù)成正比，同時(shí)其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，在控制機(jī)床加工時(shí)是通過將指令脈沖向步進(jìn)電機(jī)的輸出軸進(jìn)行轉(zhuǎn)變來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。針對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，其驅(qū)動(dòng)裝置主要是直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)，主要是通過檢測(cè)裝置來檢測(cè)機(jī)床工作態(tài)度的實(shí)際位移，比你更企鵝向數(shù)控裝置中的比較器進(jìn)行及時(shí)反饋，通過對(duì)指令位移信號(hào)的比較來作為伺服電機(jī)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)來對(duì)位移誤差進(jìn)行消除。針對(duì)半閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)來說，其中的光電脈沖編碼器發(fā)出的脈沖作為位置的反饋信號(hào)以及測(cè)速信號(hào)，黨出現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)就會(huì)改變反饋脈沖信號(hào)，之后對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制來降低精度誤差。

3.4 修改G代碼補(bǔ)償法 數(shù)控機(jī)床加工中的重要程序語言就是G代碼，此代碼中有刀具補(bǔ)償功能，可以通過修改刀位信息來進(jìn)行誤差的補(bǔ)償。以五軸機(jī)床為例，在進(jìn)行誤差補(bǔ)償模型建立之后，通過CAM軟件的應(yīng)用來修改此模型中的初始刀位，然后對(duì)G代碼進(jìn)行修改。在確定工件的幾何形狀之后，還要對(duì)工藝過程和刀具軌跡進(jìn)行確定，然后通過G代碼的修改來補(bǔ)償位置偏移所引起的誤差。

3.5 坐標(biāo)偏置補(bǔ)償法 此種方法就是通過偏移數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)的方式來進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，而且在此方法?yīng)用中需要以位置等信號(hào)的反饋?zhàn)鳛檠a(bǔ)償依據(jù)。具體地說，就是通過數(shù)控系統(tǒng)的操作來顯示零件加工的誤差校對(duì)，針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的誤差，需要重新設(shè)置此系統(tǒng)中的原點(diǎn)坐標(biāo)，起到對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)誤差的補(bǔ)償，比較適合在三軸坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用。在此種方法應(yīng)用中，對(duì)側(cè)頭進(jìn)行使用時(shí)需要選擇固定側(cè)頭，還要結(jié)合軟件來進(jìn)行補(bǔ)償，以確?；鶞?zhǔn)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

針對(duì)目前數(shù)控機(jī)床加工進(jìn)度的要求不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)，需要通過誤差補(bǔ)償法的應(yīng)用在滿足上述零件加工精度要求的同時(shí)，提升機(jī)械加工工藝技術(shù)，推動(dòng)機(jī)械加工企業(yè)向更高精度和更高質(zhì)量的方向發(fā)展。針對(duì)本文中所介紹的各種誤差補(bǔ)償法來說，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而且相關(guān)學(xué)者也在繼續(xù)深入研究來對(duì)誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和更新，推動(dòng)其成為現(xiàn)代社會(huì)精密工程的主要技術(shù)。