數(shù)控銑機(jī)床的精度檢測及補(bǔ)償工藝

觀貴泉

摘 要：隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展與測量技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度檢測要求越來越高。造成數(shù)控機(jī)床的精度測量誤差的原因有多種，對(duì)測量的精度產(chǎn)生不同層度的影響，本文對(duì)造成誤差的原因進(jìn)行合理分類，同時(shí)闡述進(jìn)行誤差定位的具體原理以及測量精度誤差的方法?；诂F(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床精度檢測中存在的問題，提出具體的補(bǔ)償工藝，反向間隙補(bǔ)償法、NC修正法以及具的軟件實(shí)現(xiàn)流程，旨在從實(shí)踐和理論兩個(gè)維度改善機(jī)床的測量精度、從而有效提升所加工零件的質(zhì)量，減少企業(yè)在生產(chǎn)中因測量誤差造成的產(chǎn)品損失

關(guān)鍵詞： 數(shù)控銑床;精度檢測;補(bǔ)償工藝

隨著機(jī)械工程技術(shù)的進(jìn)步以及更加復(fù)雜的曲面零件的生產(chǎn)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度檢測技術(shù)提出了越來越高的要求，而元器件的加工精度是測量生產(chǎn)工藝流程產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)[1]。但是由于在具體的生產(chǎn)過程中，難以實(shí)現(xiàn)流程機(jī)械化，因此普遍存在著各種生產(chǎn)和測量誤差，從而使數(shù)控機(jī)床在元器件的加工過程中會(huì)出現(xiàn)偏離給定進(jìn)程目標(biāo)的情況，因此產(chǎn)生產(chǎn)品的加工誤差，大大降低了產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。所以，基于目前的技術(shù)如何對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度進(jìn)行補(bǔ)償與提高現(xiàn)在成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本文基于造成精度檢測誤差的原因，在分析其產(chǎn)生原因及具體類型的情況下，探討解決對(duì)策，旨在為提升數(shù)控機(jī)床的檢測精度提供參考與借鑒。

1.影響數(shù)控機(jī)床精度檢查重要因素

1.1精度檢測誤差分類

在元器件的生產(chǎn)過程中由于各種工藝流程的存在，導(dǎo)致影響機(jī)床精度的因素較多，很難追蹤具體的發(fā)生原因。但是基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與設(shè)備因素，根據(jù)各種因素對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度的產(chǎn)生影響的效果與原因可以分為如下具體幾類：機(jī)床控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中存在誤差、機(jī)床的幾何誤差、熱力導(dǎo)致的變形誤差、切削力度導(dǎo)致的零件變形誤差、外界干擾誤差以及機(jī)床振動(dòng)頻率所造成的誤差等。另一方面，如果我們從造成機(jī)床誤差的不同性質(zhì)來看，造成機(jī)床誤差的原因又可以具體分為動(dòng)態(tài)誤差與準(zhǔn)靜態(tài)性誤差[2]。動(dòng)態(tài)誤差大都由于機(jī)器在運(yùn)作過程中造成，由于數(shù)控機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的元器件組合體，所以在運(yùn)行過程中，例如機(jī)床的振動(dòng)、切削力的變化等都會(huì)造成數(shù)控機(jī)床精度檢測的動(dòng)態(tài)變化，另外數(shù)控機(jī)床的主軸隨著時(shí)間的變化其運(yùn)行的時(shí)間越長，出現(xiàn)誤差的可能性就越大，由于是一種隨機(jī)性變化，所以導(dǎo)致這些誤差很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決，并且不同時(shí)間段的誤差可能有所不同。由于動(dòng)態(tài)誤差與機(jī)器的具體運(yùn)行過程一同變化，導(dǎo)致造成誤差的原因十分復(fù)雜，例如熱力導(dǎo)致的誤差，就與機(jī)器自身的溫度與內(nèi)部元器件在運(yùn)行過程中的溫度相關(guān)。而靜態(tài)誤差，大多數(shù)機(jī)器本身所攜帶的一些誤差，在購買機(jī)床前有可能就已經(jīng)存在，并且隨著時(shí)間的變化，機(jī)器運(yùn)行的時(shí)間越來越長，這些誤差也就會(huì)變得越來越大，這也與元器件的老化具有一定關(guān)聯(lián)，屬于漸進(jìn)性變化過程。動(dòng)態(tài)誤差大都采取軟件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ跈C(jī)器運(yùn)作過程中，可根據(jù)不同的誤差類型來制定不同的軟件補(bǔ)償流程與策略。

1.2定位誤差原理

本次研究使用了激光干涉儀從而對(duì)數(shù)控機(jī)床的具體精度誤差進(jìn)行定位與細(xì)密檢查。整個(gè)測量系統(tǒng)分別由：雷尼紹XL-30激光干涉儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)以及光學(xué)鏡組組成。激光干涉儀的具體線性測量原理依據(jù)圖1所示，在機(jī)器運(yùn)行過程中，從激光干涉儀中射出的激光通過安置的分光鏡片A將一束聚集光分散為2束散光，其中一束散光通過事先固定的反射鏡片B形成對(duì)照光，而另一束散光通過在數(shù)控機(jī)床測安裝的反射鏡片C形成研究光，對(duì)照光束與研究光束在通過分光鏡后通過分光鏡的散射與聚合原理，兩束光共同匯合成一束光線并產(chǎn)生干涉。

如果已經(jīng)出現(xiàn)的兩束光所處的位置與方向相同，那么經(jīng)過會(huì)合后的光波會(huì)明顯增強(qiáng)，形成為較亮的光亮條紋;如果兩束光的位置與方向相反，那么，就會(huì)產(chǎn)生暗度明顯的暗條紋?；趦烧叩牟煌攸c(diǎn)以及條紋變化規(guī)律對(duì)已經(jīng)變化的電子進(jìn)行細(xì)分，最終得到主軸距離在運(yùn)作過程中所出現(xiàn)的細(xì)微變化。

1.3精度檢測誤差測量方法

數(shù)控機(jī)床的幾何誤差是影響測量密度的重要因素之一同時(shí)也是進(jìn)行幾何誤差補(bǔ)償工藝的基礎(chǔ)，而對(duì)于數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量有具體兩種方法。第一種是對(duì)數(shù)控機(jī)床單項(xiàng)誤差的直接測量法。如上面已經(jīng)闡述的原理，選用激光測量儀來對(duì)機(jī)床在運(yùn)作過程中的具體誤差進(jìn)行單項(xiàng)多次測量。例如，通過雙頻激光干涉儀的使用可以方便、快速、直接的對(duì)3項(xiàng)坐標(biāo)正在運(yùn)作中的機(jī)床進(jìn)行多達(dá)18項(xiàng)誤差的檢查，與其他測量方法相比，該測量方法不干擾機(jī)床的運(yùn)作過程，能夠保證機(jī)床在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)發(fā)現(xiàn)誤差問題，減少企業(yè)因停用機(jī)床造成的經(jīng)濟(jì)損失，另一方面，利用電子水平儀可以檢測轉(zhuǎn)角誤差。另一種方法為綜合性的誤差測量具體參數(shù)辨別法。該方法從數(shù)控機(jī)床的整體角度出發(fā)，考慮到機(jī)床的具體元器件，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定點(diǎn)誤差檢測，從給定點(diǎn)的空間位置出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)同時(shí)結(jié)合數(shù)學(xué)辨識(shí)模型來對(duì)出現(xiàn)的參數(shù)誤差進(jìn)行分離，將整體誤差轉(zhuǎn)化為具體的單項(xiàng)誤差，從而有利于針對(duì)性解決[3]。參數(shù)辨別法需要與軟件與數(shù)據(jù)處理結(jié)合，需要精確的數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)，并且要對(duì)誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，需要一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)基礎(chǔ)導(dǎo)致過程較為復(fù)雜，在實(shí)踐過程中的應(yīng)用較少。

反向間隙以及螺距誤差是產(chǎn)生幾何誤差的重要原因，也是對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改造和使用補(bǔ)償工藝的基礎(chǔ)。通過上面已經(jīng)介紹的雙頻激光干涉儀能夠及時(shí)測量兩者的誤差，并為補(bǔ)償工藝提供借鑒。

2.數(shù)控銑機(jī)床精度誤差的補(bǔ)償工藝

2.1反向間隙補(bǔ)償

反向間隙補(bǔ)償即為齒隙補(bǔ)償，其主要原理是基于機(jī)械傳動(dòng)鏈在運(yùn)作過程中會(huì)不斷的改變轉(zhuǎn)向，如果存在反向間隙的情況，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)空走，但是工作臺(tái)卻未發(fā)生指令性運(yùn)動(dòng)，造成失動(dòng)的現(xiàn)象。反向間隙不僅有可能存在于主軸上，在各個(gè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)軸上都有可能出現(xiàn)，機(jī)器一旦運(yùn)作，軸的方向在運(yùn)作中發(fā)生改變時(shí)，反向間隙的現(xiàn)象就會(huì)表現(xiàn)出來，反向間隙的具體產(chǎn)生過程如圖2所示。值得注意的是，反向間隙具體值的大小與各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的具體運(yùn)動(dòng)位置不存在關(guān)聯(lián)。軸承桿在運(yùn)作過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損與裝置不匹配的情況，這就會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)軸承上的反向間隙會(huì)出現(xiàn)一定程度的差異，為了確保數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性需要把絲桿基于具體的間隙情況來劃分為不同的幾個(gè)段落。造成反向間隙的重要因素經(jīng)過調(diào)查表明，主要由于機(jī)器運(yùn)作過程中，支撐的主要軸承與承接軸承的軸承座之間有一定的間隙，而這種間隙幾乎不受溫度變化的影響。因此，可以說明軸承中間部位反向間隙的變化幅度較小，軸承兩端部分變化較大，由于數(shù)控機(jī)床處于半閉環(huán)的系統(tǒng)中，軸承兩端的反向間隙會(huì)對(duì)精度造成巨大的影響，所以在進(jìn)行補(bǔ)償工藝設(shè)置時(shí)，應(yīng)優(yōu)先對(duì)軸承兩端反向間隙誤差進(jìn)行處理。

2.2NC修正法在補(bǔ)償工藝中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床會(huì)按照事先制定的數(shù)控加工程序進(jìn)行加工，例如通過數(shù)控命令來實(shí)現(xiàn)切削刀具和加工器件之間準(zhǔn)確的切割定位并實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)?；谶@種原理對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償首先要計(jì)算出預(yù)定指令與現(xiàn)實(shí)工作中存在的誤差，通過對(duì)誤差值進(jìn)行反向控制輸入以及將誤差值反向的輸入到數(shù)控程序的插補(bǔ)命令上，這樣可以實(shí)現(xiàn)誤差的抵消，從而較好的補(bǔ)償誤差，該方法容易實(shí)現(xiàn)，且經(jīng)濟(jì)花費(fèi)小。在實(shí)際工作過程中，數(shù)控機(jī)床的各分支驅(qū)動(dòng)軸承主要依靠NCBIOS中對(duì)位置的控制功能來實(shí)現(xiàn)命令與運(yùn)作的對(duì)接，其工作原理具體為：位置控制器中的位置控制操作程序會(huì)在每個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)運(yùn)作一次，可以及時(shí)讀入調(diào)整后的變化位置，及時(shí)調(diào)整誤差。同時(shí)通過對(duì)坐標(biāo)軸運(yùn)作的實(shí)際位置進(jìn)行采樣與比較分析，最終通過誤差測控對(duì)坐標(biāo)軸位置進(jìn)行補(bǔ)償，從而形成正確的坐標(biāo)軸位置。通過對(duì)比理論位置和實(shí)際位置來計(jì)算出具體的跟隨誤差，并通過分析誤差所在的具體區(qū)間來計(jì)進(jìn)一步計(jì)算出進(jìn)給速度指令的正確數(shù)字量，并且通過D/A的轉(zhuǎn)換，最終可以作為應(yīng)用在單元速度環(huán)中的輸入數(shù)度指令，在軸承運(yùn)作過程中，通過元驅(qū)動(dòng)的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)基于位置控制的誤差補(bǔ)償。

2.3誤差補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)法

目前為止，在數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償軟件實(shí)現(xiàn)方法方面，大都采用CNC修正法。例外，F(xiàn)ANUC以及SIEM ENS等眾多公司，其開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)會(huì)配置有單軸誤差補(bǔ)償功能，這些補(bǔ)償功能的運(yùn)作形式與現(xiàn)在被廣泛使用的華中數(shù)控系統(tǒng)極為相似，在實(shí)現(xiàn)過程中，將具體離散點(diǎn)的誤差輸入到數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償參數(shù)表中，數(shù)控系統(tǒng)隨之可以自動(dòng)完成誤差的補(bǔ)償。不同數(shù)控系統(tǒng)之間的差別主要體現(xiàn)在補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)的不同方面。例如，F(xiàn)ANUC與SIEM ENS的數(shù)控操作系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可以達(dá)到1000多個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，而與此相比華中數(shù)控操作系統(tǒng)的補(bǔ)償點(diǎn)只有100左右，有明顯的數(shù)量上的不足。補(bǔ)償點(diǎn)越多就表明數(shù)控機(jī)床的測量密度越高，例如，所測量到的前后兩個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)的誤差差值甚至低于數(shù)控機(jī)床可以識(shí)別的最小分辨率，這樣在對(duì)測量點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償精度會(huì)達(dá)到大幅度的提升。

3.結(jié)論

在數(shù)控機(jī)床的加工與運(yùn)作過程中會(huì)出現(xiàn)各種原因?qū)е碌木日`差，從而直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量與工藝生產(chǎn)流程。雙頻激光干涉儀是數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行精度的定位與檢測時(shí)所廣泛使用的一種專業(yè)工具，通過測量精度誤差，來為補(bǔ)償工藝的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在機(jī)床運(yùn)作過程中會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)性誤差與靜態(tài)性誤差，科學(xué)合理的補(bǔ)償工藝是有效提升數(shù)控機(jī)床精度的基礎(chǔ)，通過反向間隙補(bǔ)償與軟件補(bǔ)償?shù)姆椒梢詫?duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行多方面綜合精度補(bǔ)償，從而可以使機(jī)床在更為精確的狀態(tài)下進(jìn)行工作，提升生產(chǎn)流程與生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，最大程度減少因精度誤差造成的生產(chǎn)損失。

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