數(shù)控技術(shù)在機(jī)床定位精度監(jiān)測及補(bǔ)償中的應(yīng)用

黃東

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090）

自動化技術(shù)催生了高精度機(jī)床，尤其是數(shù)控（Numerical Control，NC）機(jī)床。其定位精度對產(chǎn)品外形質(zhì)量起到了關(guān)鍵影響作用，所以要想提高產(chǎn)品質(zhì)量，不可忽視對機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前，影響機(jī)床定位精度的影響因素眾多，特別是在機(jī)械行業(yè)普遍應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)后，自動化控制機(jī)床系統(tǒng)的初始參數(shù)設(shè)計(jì)和材料選取成為至關(guān)重要的兩項(xiàng)因素。本文從數(shù)字控制技術(shù)角度展開討論，通過分析傳統(tǒng)機(jī)床定位的影響因素，逐個(gè)攻破，期望達(dá)到一個(gè)滿意的結(jié)果。

1 數(shù)字控制技術(shù)

數(shù)字控制是一種借助數(shù)字、字符或者其他符號對某一工作過程進(jìn)行編程控制的自動化方法。數(shù)控，顧名思義，就是計(jì)算機(jī)控制設(shè)備操作的指令是以數(shù)字形式的信號表示的。在數(shù)控技術(shù)中，機(jī)器設(shè)備需要依據(jù)數(shù)字控制指令（也稱數(shù)字化信號）設(shè)定的程序進(jìn)行工作。在此過程中，許多參數(shù)和動作都是依據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)提前定好的，一般不容易出現(xiàn)差錯。在具體生產(chǎn)過程中，只需要啟動機(jī)器設(shè)備，設(shè)備就會按照中控系統(tǒng)指令開始運(yùn)行，在理想環(huán)境下，自動化設(shè)備往往能達(dá)到良好的預(yù)期效果，順利完成既定目標(biāo)。

數(shù)控機(jī)床是一種采用計(jì)算機(jī)，利用數(shù)字進(jìn)行控制的高效、能自動化加工的機(jī)床，它能夠按照國際或國家，甚至生產(chǎn)廠家所制造的數(shù)字和文字編碼方式，把各種機(jī)械位移量、工藝參數(shù)（如主軸轉(zhuǎn)速、切削速度）、輔助功能（如刀具變換、切削液自動供停等），用數(shù)字、文字符號表示出來，經(jīng)過程序控制系統(tǒng)，即數(shù)控系統(tǒng)的邏輯處理與計(jì)算，發(fā)出各種控制指令，實(shí)現(xiàn)要求的機(jī)械動作，自動完成加工任務(wù)。

1.1 數(shù)字控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

在被加工零件或加工作業(yè)任務(wù)發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)只需改變控制的指令程序就可以實(shí)現(xiàn)新的控制。所以，數(shù)控機(jī)床是一種靈活性很強(qiáng)、技術(shù)密集度高和自動化程度很深的機(jī)電一體化加工設(shè)備，非常適合企業(yè)中小批量生產(chǎn)產(chǎn)品，也是柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing，F(xiàn)M）中不可或缺的加工單元，應(yīng)用范圍非常廣泛，在中小企業(yè)生產(chǎn)廠家和計(jì)算機(jī)集成制造方面扮演著重要的角色，是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要成果。

（1）靈活性強(qiáng)。數(shù)字控制技術(shù)指令程序具有豐富性和多樣性，機(jī)床在執(zhí)行不同的加工任務(wù)時(shí)，可以根據(jù)不同的數(shù)控指令靈活轉(zhuǎn)換任務(wù)模式，例如，切換運(yùn)行路徑、更換加工模具、調(diào)整加工時(shí)間、替換制作材料等，數(shù)控機(jī)床在多方面都體現(xiàn)了不同程度的靈活變化，比人工轉(zhuǎn)換任務(wù)更加靈活。

（2）技術(shù)密集度高。數(shù)字控制技術(shù)集成了多種高新計(jì)算機(jī)技術(shù)，例如，伺服驅(qū)動系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、數(shù)字傳感器、3D打印技術(shù)，等等。這些技術(shù)對數(shù)控機(jī)床的革新與發(fā)展起到了重要的驅(qū)動作用，是數(shù)控機(jī)床不斷智能化且性能逐步優(yōu)化的有力保證，是當(dāng)前智能化生產(chǎn)背景下數(shù)控機(jī)床發(fā)展的必備工具與條件。

（3）自動化程度深。數(shù)控技術(shù)顯著特點(diǎn)之一就是自動化。自動化控制機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行路徑較為靈活，工作目標(biāo)自動確認(rèn)，其內(nèi)置的自動檢測裝置對進(jìn)料的溫度、質(zhì)量、體積、濕度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)能自動感應(yīng)，并與設(shè)定的參數(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)進(jìn)行對比，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)參數(shù)時(shí)，便能自動進(jìn)入下一道處理工序或停止運(yùn)行，對較好地完成既定任務(wù)有良好的效果。

1.2 數(shù)控技術(shù)存在的不足

基于數(shù)控技術(shù)的機(jī)床也存在一些短板，例如，高度依賴計(jì)算機(jī)程序控制命令、需要定期校準(zhǔn)機(jī)床位置精度、容易受到外部因素干擾、監(jiān)測參數(shù)易產(chǎn)生誤差等。

（1）高度依賴計(jì)算機(jī)程序控制命令。數(shù)控機(jī)床的任務(wù)安排就是計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)是依據(jù)一定的實(shí)踐綜合設(shè)計(jì)的，宏觀上較為通用，但對于一些對位置和動作精度要求較高的設(shè)備操作，則容易產(chǎn)生誤差。如果設(shè)定操作指令時(shí)，沒有綜合充足的樣本實(shí)踐數(shù)據(jù)，綜合參數(shù)設(shè)置得不夠精準(zhǔn)，缺乏多樣的設(shè)備參數(shù)，設(shè)備就容易出現(xiàn)發(fā)生運(yùn)行故障。此外，機(jī)床設(shè)備操作效果也可能受到加工材料的性能影響，對于一些硬度較大的金屬材料或復(fù)合材料，原有的參數(shù)可能就無法按照預(yù)期滿足加工的力度或切割要求，使得機(jī)床加工時(shí)動作發(fā)生遲滯，牽一發(fā)而動全身，后續(xù)的工序也相應(yīng)受到影響，進(jìn)而使得最終產(chǎn)出的產(chǎn)品外形達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，給生產(chǎn)企業(yè)造成較大損失。

（2）需要定期校準(zhǔn)機(jī)床零件位置。機(jī)床長期運(yùn)作過程中，除了受到加工材料硬度的影響，還容易受到自身損耗的負(fù)面阻礙。這是因?yàn)闄C(jī)床長期運(yùn)作，各樞紐連接部位發(fā)生摩擦，會造成設(shè)備自身材料的損耗；安裝的固定零件發(fā)生松動，也會影響機(jī)床的穩(wěn)定性和定位精度。因此，數(shù)控機(jī)床也無法擺脫傳統(tǒng)機(jī)床的弊病，仍然需要定期檢查和定期潤滑，減少物理損耗，定期恢復(fù)原位，保證加工錨點(diǎn)位置精確。

（3）受生產(chǎn)車間環(huán)境影響。生產(chǎn)車間環(huán)境復(fù)雜，各項(xiàng)電氣設(shè)備較多，影響數(shù)控機(jī)床接收信號指令的因素種類繁多，具體而言，主要有電磁波干擾、動力電網(wǎng)電壓波動干擾和大電感干擾。車間電磁波主要來源于電火花、高頻電源和振蕩電路。這些因素產(chǎn)生的電磁波能量巨大，在空間傳播時(shí)會作用于數(shù)控機(jī)床，干擾信號傳輸，是信號傳輸不暢或信號變化，導(dǎo)致機(jī)床無法正確接收控制指令信號，引發(fā)錯誤動作。電力電網(wǎng)電壓主要表現(xiàn)為超壓或欠壓。數(shù)控機(jī)床輸入電壓范圍較為固定，如果電壓超出指定范圍，則會使數(shù)控信號燈失靈，導(dǎo)致系統(tǒng)信號傳輸發(fā)生錯誤，甚至觸發(fā)告警系統(tǒng)。生產(chǎn)車間常見的電力工具會產(chǎn)生一定的干擾脈沖，這類脈沖值達(dá)到頂峰時(shí)可能會影響機(jī)床常規(guī)運(yùn)行，更有甚者，會導(dǎo)致PLC停止運(yùn)作，自動關(guān)停設(shè)備。

2 數(shù)控機(jī)床定位精度影響因素

傳統(tǒng)機(jī)床定位設(shè)計(jì)，通?？紤]的是理想無干擾環(huán)境下機(jī)床運(yùn)行的參數(shù)和成效。數(shù)控機(jī)床位置精度主要包括定位精度、重復(fù)定位精度和反向差值三個(gè)指標(biāo)，其測量工具主要有線紋尺或步距規(guī)、電子測微計(jì)、準(zhǔn)直儀和激光干涉儀等。如圖1所示，來自激光頭的光束進(jìn)入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束；一束光（稱為參考光束）被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光（稱為測量光束）則穿過分光鏡到達(dá)線性反射鏡2；然后，兩束光都被反射回分光鏡，重新匯合后回到激光器，激光器內(nèi)的探測器辨識兩束光之間的干涉。在實(shí)踐中，機(jī)床定位精度會受到諸多不可見因素的影響，例如，進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)設(shè)置錯誤、機(jī)床自身或加工材料熱誤差、機(jī)床動作導(dǎo)軌幾何誤差。

圖1 激光干涉儀線性測量原理圖

2.1 進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)設(shè)置錯誤

進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床運(yùn)作的樞紐，可將其視為控制設(shè)備中的一階系統(tǒng)。進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)如機(jī)床工作臺的質(zhì)量、阻尼、機(jī)械剛度和摩擦力等都與中控系統(tǒng)指令的動態(tài)特性有著密切的聯(lián)系，深刻影響著進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行的效率和準(zhǔn)確性。以機(jī)床工作臺的摩擦力為例，當(dāng)摩擦力超出既定動態(tài)參數(shù)范圍，一旦出現(xiàn)任何超出系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計(jì)的動作情況，設(shè)備動作可能發(fā)生延時(shí)或提早進(jìn)行，以致原有的系列動作指令都接連延誤，數(shù)控機(jī)床設(shè)備就必然會出現(xiàn)故障。這些故障包括但不限于設(shè)備停止運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)行路線偏離、產(chǎn)品變形、產(chǎn)品質(zhì)量下降或變異，嚴(yán)重的還會引發(fā)設(shè)備巨大損耗以及產(chǎn)品材料損耗，延誤交貨日期乃至引發(fā)人身傷害。

2.2 熱誤差

呂正指出，電磁波干擾受較多因素影響，如電火花、高頻電源、振蕩電路等。工廠機(jī)器設(shè)備在運(yùn)作過程中產(chǎn)生的電磁波能量較強(qiáng)，這種較強(qiáng)的電磁波會通過空間傳播作用于機(jī)床，電磁波的能量較大，嚴(yán)重的可能會引發(fā)機(jī)床故障。摩擦產(chǎn)生的電火花也可能燒毀加工材料或引發(fā)機(jī)床設(shè)備熱變形，影響數(shù)控機(jī)床定位精度。

2.3 導(dǎo)軌幾何誤差

導(dǎo)軌的誤差主要體現(xiàn)在其幾何形狀方面。直線度是數(shù)控機(jī)床定位精度的重要影響因素，常見故障是導(dǎo)軌中部拱起，出現(xiàn)直線度誤差，例如，運(yùn)動產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致導(dǎo)軌變形，與激光干涉儀理論測量值存在差異，進(jìn)而直接影響刀具進(jìn)給的位置精度，影響產(chǎn)品外形規(guī)格，無法達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)控技術(shù)在機(jī)床定位精度監(jiān)測及補(bǔ)償中的應(yīng)用

數(shù)字控制技術(shù)綜合多項(xiàng)高精技術(shù)，能夠較好地監(jiān)測機(jī)床定位是否精準(zhǔn)，且對于傳統(tǒng)機(jī)床定位誤差有一定的補(bǔ)償作用。

3.1 精準(zhǔn)弱化機(jī)床定位干擾

（1）安裝濾波器。當(dāng)前，新型數(shù)控機(jī)床設(shè)備中常會安裝濾波器。濾波器的作用在于其可以借助低通濾波或者直流濾波實(shí)現(xiàn)對干擾輸入及信號輸入輸出時(shí)電磁波的抑制，弱化干擾信號，強(qiáng)化數(shù)控信號指令，補(bǔ)償傳統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境對數(shù)控信號的削弱，提升信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

（2）設(shè)置接地系統(tǒng)地線。系統(tǒng)底線是在新系統(tǒng)參考電位線中通過共同參考電位而連接形成的，其能夠基于工作環(huán)境需求與不同位置連接。此外，這種方法具有良好的抗干擾效果，且支持多位置連接，只需要將設(shè)備與接地系統(tǒng)連接即可實(shí)現(xiàn)。

3.2 消除殘余應(yīng)力，強(qiáng)化導(dǎo)軌性能

數(shù)控機(jī)床運(yùn)行加工過程中，會因熱實(shí)效和振動實(shí)效產(chǎn)生冗余應(yīng)力。這些冗余應(yīng)力導(dǎo)致加工鑄件受熱過快，引發(fā)零件變形。解決方式是以室溫為最低的溫度指標(biāo)加熱鑄件，加熱的速度要均勻，不可太快，而是要緩慢、均勻地進(jìn)行，目的是使鑄件均勻受熱，目標(biāo)溫度參數(shù)范圍在550～650℃。保溫約6h左右，才能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)作降溫處理，直至鑄件溫度降至150℃方可出爐。消除振動時(shí)效的方法是對工件施加定量的附加變應(yīng)力，確保附加應(yīng)力與參與應(yīng)力的參數(shù)大小，如果二者相互疊加超出材料承受范圍后，工件自身會形成一定的反應(yīng)，這在一定程度上能對工件內(nèi)部的參與應(yīng)力起到緩釋或降低作用，對導(dǎo)軌的形變有一定的協(xié)調(diào)作用。同時(shí)，這也是一種強(qiáng)化導(dǎo)軌精度的方式。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)機(jī)床定位存在的系統(tǒng)誤差、熱誤差、導(dǎo)軌幾何誤差在數(shù)控技術(shù)的介入下，得到了有效監(jiān)測和有針對性的補(bǔ)償。由此可以認(rèn)定，數(shù)控技術(shù)對機(jī)床定位精度有較好的監(jiān)測和補(bǔ)償作用，能有效改善機(jī)床定位精度問題，提升刀具進(jìn)給位置準(zhǔn)確性，協(xié)調(diào)機(jī)床工作臺動作路徑與激光導(dǎo)軌的一致性，緩解現(xiàn)有機(jī)床的摩擦過熱變形問題。由于數(shù)控技術(shù)仍在進(jìn)一步研究中，基于數(shù)控技術(shù)的機(jī)床還有相當(dāng)一部分問題尚未得到深入挖掘和解決。在肯定數(shù)控技術(shù)對智能化、自動化機(jī)床定位生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，未來，還將持續(xù)對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行研究，以求更好地促進(jìn)數(shù)控技術(shù)與機(jī)械生產(chǎn)的融合發(fā)展，提升產(chǎn)品質(zhì)量，為機(jī)械行業(yè)發(fā)展盡綿薄之力。