數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用

李瑞

摘要：數(shù)控機(jī)床是當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中的一個(gè)應(yīng)用廣泛的生產(chǎn)設(shè)施，使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行工作的時(shí)候難免會(huì)產(chǎn)生一些誤差，導(dǎo)致這個(gè)誤差的原因大致分為熱變形誤差和幾何誤差，這兩個(gè)誤差是數(shù)控機(jī)床比較常見(jiàn)的誤差，所以將這部分的內(nèi)容綜合起來(lái)分析會(huì)更加的有可用性，在本文中會(huì)針對(duì)這兩個(gè)方面來(lái)分析數(shù)控機(jī)床誤差的補(bǔ)償技術(shù)以及應(yīng)用。利用好數(shù)控機(jī)床的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)的話不僅可以在有效地提升機(jī)床加工精確度的同時(shí)，為產(chǎn)業(yè)帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)收益。因此，合理高效的應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)是一個(gè)十分重要的項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;誤差綜合補(bǔ)償技術(shù);實(shí)施措施

0? 引言

數(shù)控機(jī)床的誤差自從很早以前就已經(jīng)受到了人們的重視，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與科技水平的提升，數(shù)控機(jī)床技術(shù)也越來(lái)越精湛，伺服進(jìn)給速度和加工精度、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速不斷提升，數(shù)控機(jī)床本身存在的一些問(wèn)題更加的明顯了。不同類(lèi)型的機(jī)床的誤差范圍都是不一樣的，但是熱變形導(dǎo)致的誤差大致占據(jù)總誤差的30～50%，這個(gè)數(shù)據(jù)可以表明對(duì)于熱變形誤差的研究是十分必要的，除了熱變形誤差之外，幾何誤差同樣也是占據(jù)了總誤差的一個(gè)很高的比例，所以要想研究數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用就要從這兩個(gè)方面進(jìn)行切入，慢慢深入研究分析。

1? 以多體系統(tǒng)為基礎(chǔ)的建模技術(shù)

多個(gè)剛體或者柔體通過(guò)一些特定的形式相互聯(lián)系所建立的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)就是多體系統(tǒng)，同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)也是由任何機(jī)械系統(tǒng)通過(guò)抽象的方式而建立起來(lái)的。其部件主要由滑輪、床身、立柱、工作臺(tái)以及主軸箱等構(gòu)成。所以在面對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差的時(shí)候，要先思考其主要構(gòu)件的基本運(yùn)作原理與運(yùn)行流程，然后根據(jù)這個(gè)原理來(lái)找到最合適的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)。這個(gè)多體系統(tǒng)其實(shí)也算是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以在數(shù)控機(jī)床發(fā)生誤差的時(shí)候，任何一個(gè)部件的誤差都會(huì)影響到另外的部件，讓其誤差在不知不覺(jué)中慢慢變大，所以數(shù)控機(jī)床的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)需要更加注重其能夠帶來(lái)的影響。

2? 低序體陣列和變換矩陣

一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)有很多種形式可以做選擇，就拿數(shù)控機(jī)床作為例子，有臥式、龍門(mén)式以及立式等等，這些多樣的構(gòu)件形式讓機(jī)械系統(tǒng)也變得多種多樣。低序體陣列指的是機(jī)械系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，一些復(fù)雜的抽象的機(jī)械系統(tǒng)能夠利用低序體陣列變成一個(gè)個(gè)體的形式，然后投入使用。例如，選擇一個(gè)體作為基體A，然后在離A較遠(yuǎn)的一個(gè)方向遵循自然增長(zhǎng)的數(shù)列來(lái)標(biāo)定每一個(gè)體的標(biāo)號(hào)，值得注意的是在進(jìn)行這個(gè)標(biāo)定工作的時(shí)候，假如遇到分支，可以在標(biāo)定完一個(gè)分支之后再標(biāo)定其他的，然后直到所有的個(gè)體都有了標(biāo)號(hào)之后結(jié)束。低序體陣列里面所表現(xiàn)出來(lái)的序號(hào)是用來(lái)表明個(gè)體和個(gè)體之間的相互位置關(guān)系的。

除了低序體陣列之外，還有一個(gè)變換矩陣。舉個(gè)例子，這個(gè)變換矩陣在多體系統(tǒng)中隨便兩個(gè)臨近的，其中n1是B1的坐標(biāo)系上的一個(gè)點(diǎn)，然后n2則是B2的坐標(biāo)系上的一個(gè)點(diǎn)，其之間的關(guān)系滿足{n1}=[SJK]{n2}這個(gè)公式，在這里面的[SJK]可以轉(zhuǎn)換成為矩陣，可以由其中的n1和n2相互間的方位角來(lái)決定，其中的c=cos.s=sin。然后通過(guò)相鄰體之間的變換關(guān)系，就可以將{n1}轉(zhuǎn)變成為一種慣性坐標(biāo)系為{n1}=[SOK]{n2}以及[SOK]=II[SJK]，值得注意的是其中的II表示的是多體系統(tǒng)低序體的連乘。

3? 絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的熱變形誤差

絲杠進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差是熱變形誤差中的一個(gè)很常見(jiàn)的因素，所以其解決的應(yīng)用方式對(duì)降低數(shù)控機(jī)床誤差是很有效果的，在機(jī)床加工的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)的情況會(huì)很多，所以即使是在一樣的加工條件下，由于加工的構(gòu)件的安裝位置的變化，導(dǎo)致的絲杠的熱變形的情況也各不相同。對(duì)于由于這種原因造成的絲杠的熱變形補(bǔ)償，主要的措施有：①引入光柵反饋的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行運(yùn)作。然后對(duì)于一些半閉環(huán)的機(jī)床，則可以采用Renishaw公司開(kāi)發(fā)出來(lái)激光反饋實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，通過(guò)這樣的方式保證數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)作。②在伺服動(dòng)態(tài)性的這個(gè)特點(diǎn)的形式下可以嘗試對(duì)絲杠進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)警，保證數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)作。③進(jìn)一步改良絲杠母副的冷卻系統(tǒng)，能夠讓數(shù)控機(jī)床進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的耐久性運(yùn)作。④預(yù)補(bǔ)償法，在數(shù)控機(jī)床的定位誤差的時(shí)候，可以預(yù)補(bǔ)償一定數(shù)量的值，通過(guò)這樣的方式來(lái)補(bǔ)償熱變形的誤差，但是這個(gè)方式存在一定的缺陷，那就是預(yù)補(bǔ)償后的機(jī)床的定位誤差容易超過(guò)規(guī)定的數(shù)值，必須多加注意減少誤差的出現(xiàn)。

4? 滑枕系統(tǒng)的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)

滑枕系統(tǒng)在工作的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)處在一個(gè)內(nèi)熱源和外熱源共同的一個(gè)作用之下，且熱源不恒定。因?yàn)榛硐到y(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的，加之發(fā)熱部件和制冷部件在系統(tǒng)之中的排列是不勻稱的，此外，滑枕系統(tǒng)之中使用到的各個(gè)零部件的制作材料、形狀、構(gòu)造都是不一樣的，所以，滑枕系統(tǒng)實(shí)際上可以看作是一個(gè)繁冗復(fù)雜且千變?nèi)f幻的溫度復(fù)合場(chǎng)?；硐到y(tǒng)在這樣的溫度復(fù)合場(chǎng)的冷熱作用之下，滑枕系統(tǒng)的組件就會(huì)產(chǎn)生所謂的“熱應(yīng)力”和“熱位移”?；硐到y(tǒng)的組件的外表的溫度上升越高，其系統(tǒng)的零部件處在這個(gè)溫度復(fù)合場(chǎng)中越久，所受到的熱變形就越大，該數(shù)控機(jī)床的精度就越難把握，誤差變大的可能性極高，同時(shí)，該機(jī)床的熱特性也就越差。除此之外，熱位移對(duì)滑枕系統(tǒng)的組件加工精度的影響力度較之溫度復(fù)合場(chǎng)更甚，尤其是是滑枕系統(tǒng)前端面的部件的熱位移?；硐到y(tǒng)前端面的部件產(chǎn)生的熱位移將會(huì)直接反映到銑刀在數(shù)控機(jī)床的W軸方向的熱誤差上，滑枕系統(tǒng)的零部件將會(huì)沿著數(shù)控機(jī)床的W軸方向不斷膨脹到一個(gè)極值，從而導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的銑削平面變成一個(gè)階梯形狀的平面，造成極大的誤差。

由于該工作特性的存在，滑枕系統(tǒng)的熱變形問(wèn)題要格外注意，否則很容易產(chǎn)生熱變形從而導(dǎo)致誤差。熱變形參數(shù)的測(cè)量可以采用卓有成效的五點(diǎn)法進(jìn)行，就是在主軸上面安裝標(biāo)準(zhǔn)芯棒，然后在YX、ZX的平面上分別安裝上間距為250mm的電渦流傳感器，安裝完兩個(gè)之后，然后在芯棒的那一端安裝上一個(gè)電渦流的傳感器，幫助測(cè)量一些數(shù)據(jù)。熱傳感器的安裝位置在主軸的前端在軸承側(cè)，另外一個(gè)則安裝在床身可以作為相對(duì)溫差測(cè)量，如此一來(lái)就可以得出比較全面的測(cè)量數(shù)據(jù)。在進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)床的主軸大多數(shù)時(shí)間是處于最高的轉(zhuǎn)速的70%的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的，其運(yùn)轉(zhuǎn)的方式是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在其運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中是通過(guò)電渦流傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，通過(guò)這樣的方式可以計(jì)算出熱變形的誤差參數(shù)，將這些測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)代入一些特定的公式里面，就可以通過(guò)計(jì)算得出誤差補(bǔ)償前后的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

5? 加工優(yōu)化以及加工模擬

數(shù)控機(jī)床的誤差其實(shí)主要是由于構(gòu)件產(chǎn)生的一些運(yùn)作，所以在構(gòu)件加工的時(shí)候進(jìn)行把控、優(yōu)化，就可以讓誤差在很大程度上得到更好的解決，具體的方式有先將零件的加工總面積通過(guò)計(jì)算得出數(shù)據(jù)來(lái)，然后再把過(guò)度的圓弧半徑根據(jù)其使用的情況進(jìn)行一些分類(lèi)，從而得到比較清晰的一個(gè)分類(lèi)，這個(gè)分類(lèi)可以是根據(jù)當(dāng)前工廠里面所使用的刀具的種類(lèi)或者半徑范圍來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的分類(lèi)。其次，為了更加方便下一步的運(yùn)作，可以將其分為一般型和微型兩個(gè)種類(lèi)，再分別計(jì)算出這兩種類(lèi)型的刀具的過(guò)渡圓弧的加工所需要的面積，值得注意的事假如微型這一類(lèi)的加工面積占據(jù)整個(gè)面積里面的比值超過(guò)了0.25，那么就要考慮去更換刀的時(shí)間，否則不換刀具，依舊采用加工環(huán)所需要的最大的半徑的刀具。如果情況相反，那么就可以考慮加工過(guò)渡圓弧，以及換刀滿足可以干涉要求的最大的半斤的微型刀，對(duì)于其他的地方，則采用常規(guī)的刀具[4]。

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，好多的方式在正式投入運(yùn)用之前，可以進(jìn)行模擬，利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行加工程序的模擬，得到驗(yàn)證。這個(gè)方式比較常見(jiàn)的采用方式是線架模塊法，通過(guò)這個(gè)方式能夠在熒光屏上顯示出刀具的運(yùn)作軌跡，然后在實(shí)際運(yùn)作的時(shí)候，刀具的軌跡可以通過(guò)顯示刀位點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模擬運(yùn)作。在采用這種方式的時(shí)候，要首先了解到這種采用實(shí)際物體來(lái)進(jìn)行模擬驗(yàn)證的方式是一種比較先進(jìn)的方式，但是面對(duì)二維輪廓加工的時(shí)候，因?yàn)楦缮嫣幚砥鋵?shí)已經(jīng)得到了上一步的驗(yàn)證了，所以可以不用過(guò)多的考慮刀具會(huì)發(fā)生過(guò)切的現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，整個(gè)過(guò)程其實(shí)就是生成指令的過(guò)程的一個(gè)逆過(guò)程，簡(jiǎn)單的理解就是將指定的文件轉(zhuǎn)變成為CAD的圖形，然后通過(guò)電話的方式將其更加具體的展現(xiàn)出來(lái)，這樣的方式會(huì)更加的直觀。

數(shù)控機(jī)床的一些零件的加工也是一種很重要的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)，并且是能夠讓誤差在產(chǎn)生之前就讓誤差造成的損失最小化，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的整體運(yùn)作在本質(zhì)上就是由一個(gè)個(gè)的部件綜合協(xié)作而實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)部件進(jìn)行更多的優(yōu)化，能夠讓誤差造成的后果影響盡可能降低，并且能夠讓數(shù)控機(jī)床的整體運(yùn)作得到更高的經(jīng)濟(jì)收益。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本文在多體系統(tǒng)的運(yùn)作基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析探索，建立了更加綜合的誤差補(bǔ)償技術(shù)的通用計(jì)算模型，通過(guò)各種各樣的公式讓這個(gè)補(bǔ)償技術(shù)更加的具有可行性和科學(xué)性。在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)作期間，其實(shí)有很多的外在因素時(shí)刻在影響著數(shù)控機(jī)床的運(yùn)作，例如切削熱、冷卻系統(tǒng)以及環(huán)境溫度等都在時(shí)時(shí)刻刻讓數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生著誤差，所以為了減少誤差到來(lái)的影響，就需要研究數(shù)控機(jī)床的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)，并從中得出措施然后投入到使用之中，讓數(shù)控機(jī)床在整體運(yùn)作的時(shí)候能夠得到更好的優(yōu)化，讓數(shù)控機(jī)床在更好的一個(gè)環(huán)境狀況下去運(yùn)作，并且得到更多的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。數(shù)控機(jī)床的誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)能夠讓補(bǔ)償量到達(dá)一個(gè)很理想的狀態(tài)的，但是這個(gè)狀態(tài)是需要科學(xué)技術(shù)去進(jìn)行維持的，這也就需要科學(xué)技術(shù)去進(jìn)一步的研究探索，得出最好的優(yōu)化方案，讓數(shù)控機(jī)床能夠保持最優(yōu)的一個(gè)狀態(tài)去運(yùn)作。

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