機(jī)械數(shù)控機(jī)床位置控制及誤差補(bǔ)償分析

王霞

摘 要 在現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化的生產(chǎn)應(yīng)用不僅有利于控制生產(chǎn)過(guò)程中的人工成本，更有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的數(shù)控生產(chǎn)。機(jī)床加工生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境、設(shè)備等多方面因素的影響，尤其是在零件的定位方面，必須要充分考慮系統(tǒng)誤差對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量帶來(lái)的影響，通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)優(yōu)化其性能。本文通過(guò)分析當(dāng)前機(jī)械數(shù)控機(jī)床位置控制的要點(diǎn)與誤差補(bǔ)償?shù)闹匾裕Y(jié)合產(chǎn)生位置誤差的主要原因，提出了提升誤差補(bǔ)償?shù)挠行?duì)策，希望能為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供有益參考。

關(guān)鍵詞 機(jī)械數(shù)控機(jī)床 誤差補(bǔ)償 位置控制 伺服補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：TG653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）03-0108-03

機(jī)械數(shù)控加工是指利用機(jī)床設(shè)備對(duì)待加工原材料進(jìn)行削切處理的一種新模式，主要通過(guò)數(shù)字控制的方式向加工設(shè)備傳遞操作指令，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、自動(dòng)化的加工生產(chǎn)。在機(jī)械數(shù)控生產(chǎn)過(guò)程中，零件的加工精度與數(shù)字控制傳輸過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置有密切的聯(lián)系，夾具、刀具的定位調(diào)節(jié)必須要保證位置的精確性才能夠?qū)崿F(xiàn)精密化的機(jī)械零件生產(chǎn)。為更好地保障位置信息的準(zhǔn)確性，針對(duì)系統(tǒng)性的誤差可以通過(guò)補(bǔ)償處理的方式進(jìn)行還原，使補(bǔ)償量與誤差量能夠恰好保持一致。

1 機(jī)械數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的位置控制

在機(jī)械數(shù)控機(jī)床的加工運(yùn)行過(guò)程中，主要是通過(guò)提前編設(shè)好的程度完成對(duì)刀具、夾具的操作響應(yīng)，其中的定位環(huán)節(jié)對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的加工質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生極大的影響，一旦出現(xiàn)了位置偏置的問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致刀具削切加工的位置與理論計(jì)算的位置不一致的問(wèn)題，在后續(xù)的組裝過(guò)程中會(huì)形成一定量的材料損耗。機(jī)械數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行過(guò)程主要包括了確定刀具、調(diào)整吊具、夾取材料、削切處理等不同的環(huán)節(jié)，其中有很多過(guò)程都涉及到了位置確定，這也反映出了定位工作對(duì)于機(jī)械加工產(chǎn)品質(zhì)量的重要影響。

2 加強(qiáng)對(duì)機(jī)械數(shù)控機(jī)床位置誤差補(bǔ)償?shù)闹匾?/p>

在機(jī)械產(chǎn)品逐步向精密化發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)其零件生產(chǎn)的精度要求也在不斷提升，一些機(jī)床系統(tǒng)性的加工誤差會(huì)直接影響到后續(xù)的產(chǎn)品組裝或二次加工，容易造成性能不穩(wěn)定或誤差累加的問(wèn)題。引起機(jī)械數(shù)控機(jī)床位置誤差的原因較多，且在削切加工的過(guò)程中存在許多運(yùn)動(dòng)性的誤差，需要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方式才能夠予以消除，這就給設(shè)備的誤差補(bǔ)償工作帶來(lái)了一定的困難性，必須要明確產(chǎn)生定位誤差的主要原因，才能夠確保使用對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使機(jī)械加工行業(yè)不斷向精密化、數(shù)字化的方向發(fā)展。機(jī)械數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行精度要求較高，且在對(duì)金屬材質(zhì)的原料進(jìn)行加工處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的形變情況，在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用中的形變累積會(huì)產(chǎn)生較大的精度誤差，必須要做好補(bǔ)償處理才能夠有效延長(zhǎng)機(jī)床設(shè)備的使用壽命并提升加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 產(chǎn)生機(jī)械數(shù)控機(jī)床位置誤差的原因分析

3.1 加工原理誤差

原理性的誤差主要是由于技術(shù)人員對(duì)機(jī)械數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行指令編制存在不適配的問(wèn)題，特別是對(duì)于一些操作模型、理論等與機(jī)床操作存在差異化的情況，不能為了實(shí)現(xiàn)流程與理論的一致而隨意變動(dòng)軟件內(nèi)容，防止出現(xiàn)實(shí)操加工不一致的問(wèn)題。

一方面，機(jī)械加工的理論內(nèi)容和軟件的程序編制存在一定的差別，特別是設(shè)備定位、加工流程等方面有明顯的不足，會(huì)直接造成同批次的產(chǎn)品產(chǎn)生誤差等現(xiàn)象，給加工企業(yè)造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

另一方面，技術(shù)人員在對(duì)機(jī)械數(shù)控機(jī)床進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)，沒(méi)有充分考慮到所使用的刀具、夾具的實(shí)際特點(diǎn)，特別是刀頭樣式、尺寸的差異在執(zhí)行同一個(gè)參數(shù)命令時(shí)所形成的加工結(jié)果會(huì)有很大區(qū)別，必須要重視做好機(jī)械數(shù)控加工的前期管理工作，確保在執(zhí)行直線(xiàn)、弧線(xiàn)的削切處理中能夠與理論預(yù)設(shè)保持一致性。

3.2 環(huán)境溫度誤差

許多精密性要求較高的機(jī)械數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行的過(guò)程中必須要保證環(huán)境的恒溫恒濕，否則很容易造成設(shè)備零件的膨脹、損壞等問(wèn)題，對(duì)于產(chǎn)品的加工質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在大型機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)部的軸承會(huì)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，一些滾珠、絲杠副在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)由于受熱膨脹而出現(xiàn)變形誤差的問(wèn)題，這和制作材料的熱膨脹系數(shù)有一定的關(guān)系，特別是在絲杠副位置處的膨脹會(huì)造成螺紋位置的精度下降，從而引發(fā)設(shè)備內(nèi)部的壓力、轉(zhuǎn)速等的變化，需要通過(guò)有效的補(bǔ)償方式來(lái)解決。在環(huán)境溫度反復(fù)變化的過(guò)程中，這種絲杠副上的誤差會(huì)逐步發(fā)生累計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用甚至可能會(huì)造成超過(guò)0.02mm以上精度的生產(chǎn)誤差，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響性。

3.3 系統(tǒng)工藝誤差

系統(tǒng)性誤差問(wèn)題主要是由機(jī)床自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素引發(fā)的，特別是在刀具進(jìn)行削切處理時(shí)，由于與原材料接觸點(diǎn)位置在不斷變化，其實(shí)際受力情況也會(huì)形成相應(yīng)的變動(dòng)，給系統(tǒng)的定位響應(yīng)帶來(lái)了一定的干擾，特別是在代加工處存在交錯(cuò)點(diǎn)的情況下，更容易出現(xiàn)加工誤差的問(wèn)題。如在部分刀具進(jìn)行直線(xiàn)切割處理的過(guò)程中，隨著接觸深度不斷下降，會(huì)出現(xiàn)夾具受力不穩(wěn)定的問(wèn)題，很容易給垂直化的直線(xiàn)切割帶來(lái)一定的角度偏差。另外，在不同材質(zhì)的機(jī)械加工產(chǎn)品時(shí)，給刀具頭帶來(lái)的實(shí)際受力也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，特別是對(duì)于一些材料厚度不均勻的情況下，會(huì)造成削切觸點(diǎn)不一致的問(wèn)題，若統(tǒng)一采用一種數(shù)控程序，就會(huì)引發(fā)系統(tǒng)性的加工誤差，不利于保證加工產(chǎn)品的精密度。

4 提升機(jī)械數(shù)控機(jī)床位置誤差補(bǔ)償?shù)挠行?duì)策

4.1 硬件靜態(tài)補(bǔ)償

硬件補(bǔ)償?shù)姆绞绞侵?，針?duì)機(jī)械加工機(jī)床本身固有的一些系統(tǒng)誤差問(wèn)題，可以在原有的加工系統(tǒng)當(dāng)中增加一個(gè)硬件結(jié)構(gòu)，專(zhuān)門(mén)對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可有效實(shí)現(xiàn)位置的糾偏處理。如在部分機(jī)械機(jī)床的定位當(dāng)中，由于螺絲、杠桿位置的問(wèn)題，會(huì)在材料定位和刀具定位時(shí)形成一個(gè)偏差，而通過(guò)加裝螺距校正尺的方式能夠?qū)υ械奈恢眯纬梢粋€(gè)反方向的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，通過(guò)增加硬件的副位置處理保證了系統(tǒng)在綜合運(yùn)行之下可以達(dá)到最為精確的理想定位[2]。這種硬件補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用只需要經(jīng)過(guò)一次校準(zhǔn)調(diào)節(jié)后就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)應(yīng)用，但由于可調(diào)節(jié)的誤差只能保持在固定的尺寸，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的校準(zhǔn)處理，也會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)用限制性，一般會(huì)和其他的誤差補(bǔ)償方式共同應(yīng)用以提升工作效率。機(jī)械數(shù)控機(jī)床的實(shí)際荷載作用力較大，但由于材料的剛度高，能夠較好地對(duì)抗這種形變問(wèn)題，在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)置時(shí)應(yīng)該做好預(yù)應(yīng)力的調(diào)整，優(yōu)化設(shè)備零件的安裝，使其能夠在恒載的狀態(tài)之下完成加工生產(chǎn)，更好地補(bǔ)償系統(tǒng)性的誤差量。

4.2 系統(tǒng)混合補(bǔ)償

混合補(bǔ)償對(duì)于消除不同原因引起的系統(tǒng)誤差有較好的處理效果，將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)補(bǔ)償與硬件系統(tǒng)補(bǔ)償共同作用，對(duì)機(jī)械數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償效果更優(yōu)，可以實(shí)現(xiàn)更加精密的零件加工處理。在混合補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)當(dāng)中，有專(zhuān)門(mén)用于進(jìn)行定位檢測(cè)與追蹤的傳感元件，能夠根據(jù)不同加工狀態(tài)下的刀具、夾具和原材料的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤，通過(guò)校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)精確定位后再啟動(dòng)削切加工的功能，并在加工的過(guò)程當(dāng)中也實(shí)現(xiàn)全程定位與補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)于傳感器的靈敏度、通信系統(tǒng)的傳輸效率等都有一定的要求，特別是在加工過(guò)程中的零件受力、局部受熱和材料形狀等都會(huì)影響實(shí)際定位與補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，需要有多個(gè)靈敏度較高的探測(cè)器共同輔助完成補(bǔ)償作業(yè)，并保證數(shù)據(jù)反饋與處理的精確性[3]?；旌涎a(bǔ)償?shù)姆绞皆谇捌诮ㄔO(shè)的投入成本偏高，實(shí)際應(yīng)用范圍具有一定的局限性。

4.3 伺服系統(tǒng)補(bǔ)償

伺服補(bǔ)償技術(shù)是目前機(jī)械數(shù)控加工領(lǐng)域當(dāng)中最為常見(jiàn)的一種位置誤差補(bǔ)償處理辦法，能夠根據(jù)機(jī)床與原材料在加工過(guò)程中的運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償處理，主要應(yīng)用了機(jī)床當(dāng)中的軸向設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。伺服系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置是一個(gè)軸向結(jié)構(gòu)裝置，能夠根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的補(bǔ)償調(diào)節(jié)參數(shù)要求實(shí)現(xiàn)不同方向上的傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)確保了正向、反向兩個(gè)維度的參數(shù)補(bǔ)償有效實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)軸的調(diào)節(jié)精度為0.1um。在伺服系統(tǒng)對(duì)加工位置的實(shí)時(shí)校正的過(guò)程中，要重視對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制，確保能夠和機(jī)床加工的尺寸范圍保持適配，避免超調(diào)問(wèn)題的出現(xiàn)。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中主要依靠機(jī)電系統(tǒng)發(fā)出的脈動(dòng)進(jìn)行步進(jìn)處理，二者的響應(yīng)呈現(xiàn)出正比關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細(xì)化的調(diào)節(jié)處理[4]。部分機(jī)械數(shù)控機(jī)床中使用的伺服系統(tǒng)為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行誤差補(bǔ)償處理時(shí)主要是通過(guò)將機(jī)床的實(shí)際位移數(shù)量和指令數(shù)據(jù)進(jìn)行有效對(duì)比，一旦存在誤差量會(huì)再次發(fā)出補(bǔ)償指令消除位移偏差。還有一些伺服補(bǔ)償系統(tǒng)中使用的位置檢查元件是依靠光電轉(zhuǎn)換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)加工零件的邊界未達(dá)到指定位置時(shí)，機(jī)床中的定位系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到光信號(hào)的遮蔽，則會(huì)通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)一步調(diào)節(jié)其位置，確保光電脈沖的數(shù)據(jù)精確有效。在對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)的過(guò)程中必須要關(guān)注電機(jī)和工作臺(tái)運(yùn)行參數(shù)之間的適配性，特別是在角轉(zhuǎn)速上，差異控制和誤差數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)出了正相關(guān)的情況，必須要做好調(diào)試和優(yōu)化。

4.4 軟件系統(tǒng)補(bǔ)償

由于在機(jī)械數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行過(guò)程中主要是依靠軟件系統(tǒng)的控制使機(jī)床和操作臺(tái)等完成指令操作，在實(shí)現(xiàn)位置的誤差補(bǔ)償過(guò)程中就可以考慮通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)軟件代碼的方式來(lái)具體落實(shí)。在機(jī)械數(shù)控機(jī)床中使用的軟件語(yǔ)言為G語(yǔ)言，在操作指令的原語(yǔ)言結(jié)構(gòu)中可以增加補(bǔ)償模塊，使其在每次運(yùn)行的過(guò)程中都能夠根據(jù)反饋數(shù)據(jù)值自動(dòng)調(diào)取系統(tǒng)補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)位置的精確優(yōu)化[5]。如不同類(lèi)型的刀具其長(zhǎng)度、廓形等存在一定的差別，為有效消除這類(lèi)系統(tǒng)性誤差，就可以通過(guò)增加G代碼中刀具類(lèi)型檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)，其中的G43和G44刀具在完成加工指令時(shí)會(huì)自動(dòng)加上長(zhǎng)度差別來(lái)校準(zhǔn)其加工位置。代碼優(yōu)化的方式針對(duì)一些異形的零件加工具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)零件的幾何形狀來(lái)確定定位時(shí)的參考邊，確保同一批次產(chǎn)品在進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)都能夠保持統(tǒng)一精度。

4.5 坐標(biāo)偏置補(bǔ)償

偏置補(bǔ)償?shù)姆绞绞菑臋C(jī)械數(shù)控機(jī)床定位邏輯方面進(jìn)行的優(yōu)化處理，即在加工的過(guò)程中提前設(shè)置好系統(tǒng)坐標(biāo)位置，只有當(dāng)代加工的原材料放置在規(guī)定的坐標(biāo)位置后才能夠進(jìn)行削切加工處理，在零件位置出現(xiàn)偏置后，系統(tǒng)能夠?qū)㈩A(yù)設(shè)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)地展開(kāi)數(shù)據(jù)對(duì)比與分析，通過(guò)發(fā)送補(bǔ)償指令的方式使其位移到預(yù)設(shè)位置。這種偏置補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詫?shí)現(xiàn)更加精確的定位，補(bǔ)償應(yīng)用中的自動(dòng)化響應(yīng)程度較好，還可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)更改修正的方式來(lái)適配不同批次的機(jī)械加工應(yīng)用[6]。在偏置補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)當(dāng)中，需要有XYZ三個(gè)軸向結(jié)構(gòu)來(lái)完成移動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹噶铐憫?yīng)，可以通過(guò)固定坐標(biāo)一端的方式來(lái)簡(jiǎn)化坐標(biāo)分析的過(guò)程，但需要注意在激烈的晃動(dòng)、撞擊影響之下會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)定位不準(zhǔn)確的情況，必須要保證地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.6 機(jī)械處理補(bǔ)償

針對(duì)由于機(jī)械性問(wèn)題而引發(fā)的誤差和故障問(wèn)題，需要通過(guò)定期調(diào)試、檢修的方式進(jìn)行有效解決，并更換生產(chǎn)制造過(guò)程中使用的潤(rùn)滑劑，使其能夠更好地實(shí)現(xiàn)冷卻、潤(rùn)滑的作用。如在絲杠副運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中螺紋處的摩擦生熱情況較為嚴(yán)重，高質(zhì)量的潤(rùn)滑劑不僅能夠較好地保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的順暢度，還可以達(dá)到降溫的目的，增加絲杠副螺紋的邊緣位置和空氣之間的接觸，從而達(dá)到降溫冷卻的目的。在機(jī)械設(shè)備的調(diào)試檢修過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)軸承壓力的控制，避免擠壓過(guò)緊給生產(chǎn)加工造成影響，可以適度減少滾珠位置的受力，使產(chǎn)品的機(jī)械處理更加順暢安全。在定檢的過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了累積誤差的情況要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)零處理，并充分考慮到設(shè)備預(yù)張力參數(shù)的設(shè)定，使其和絲杠軸的直徑、形變量之間形成更好地適配。在絲杠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的設(shè)備磨損問(wèn)題，特別是在壓力設(shè)置不當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)出現(xiàn)螺紋磨損不均勻，整體設(shè)備測(cè)量精度會(huì)有明顯的下降，需要通過(guò)定檢分析和零件更換的方式來(lái)保證機(jī)床的加工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)以上所闡述的內(nèi)容，要注意針對(duì)機(jī)械數(shù)控機(jī)床的誤差問(wèn)題，必須要通過(guò)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)姆绞接枰韵?，更好地保障了零件產(chǎn)品的合格率。在處理機(jī)床位置誤差的過(guò)程中，首先要明確其產(chǎn)生的主要原因才能夠保證選擇方式更具對(duì)應(yīng)性，這對(duì)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)量、產(chǎn)品分析等都有較高的要求，還需要加強(qiáng)實(shí)操學(xué)習(xí)來(lái)予以提升。誤差補(bǔ)償既可以從機(jī)床設(shè)備的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，也可以通過(guò)軟件監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在目前的機(jī)械產(chǎn)品加工中有重要應(yīng)用，更有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品精密化發(fā)展。

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