一種龍門銑床誤差實時補償方法探析構(gòu)建

陀梁榮

（廣西機電技師學(xué)院，廣西柳州 545005）

0 引言

龍門銑床具有加工空間大、承載重量大、剛度大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于大型零件的精密加工。龍門銑床尺寸大，其主體部件生產(chǎn)和裝配過程中產(chǎn)生的誤差，以及加工過程中因主軸、運動軸等產(chǎn)生的熱量而引起的熱變形，均會對其加工精度產(chǎn)生顯著影響。為了減少熱變形的影響，誤差補償在機床中得到了越來越多的應(yīng)用。通過采取合理途徑來提高生產(chǎn)結(jié)果精準度，對于促進行業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著積極的意義。

1 誤差實時補償原理

以進給軸x 軸的幾何與熱綜合定位誤差曲線為例。假設(shè)x軸的溫度為T 時，測量得到某段行程的幾何與熱綜合定位誤差試驗結(jié)果。具體內(nèi)容如下：

在x 軸上隨機選擇一個參考點（記作點N），假定在x 軸上溫度為t0時，該點的定位誤差為Q（Nt0）。對于x 軸上a 點位置的誤差Q（at）0可以記作：Q（at）0=Q（Nt）0+tanα（t）0×（a-n）。其中，Q（Nt）0表示坐標的溫度補償數(shù)值，tanα（t）0表示和位置坐標相關(guān)的補償系數(shù)，a 表示需要求解的誤差坐標數(shù)據(jù)，n 表示定位誤差的參考數(shù)據(jù)。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入式中后，可以得到準確的計算結(jié)果。在對系統(tǒng)的熱誤差進行補償時，只需將熱誤差作為機床管關(guān)鍵溫度數(shù)值的計算函數(shù)，并對這些關(guān)鍵溫度值、誤差熱補償數(shù)值進行整理，以提高補償結(jié)果的使用價值。

2 誤差實時補償系統(tǒng)開發(fā)

2.1 機床誤差項分析

在對誤差實時補償系統(tǒng)進行開發(fā)時，應(yīng)做好機床誤差項分析，這也是降低零部件加工精度的重要措施。從目前的發(fā)展情況來看，機床的制造精度會隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展不斷提升，這使得零件幾何誤差、熱誤差得到了更加有效地控制，但依舊面臨熱誤差問題帶來的影響。在機床加工活動中，周圍復(fù)雜多變的溫度也會導(dǎo)致零部件在加工時出現(xiàn)不同程度的熱變形，這樣也將造成機床熱誤差的出現(xiàn)。機床作為一個混合結(jié)構(gòu)，不同部件的熱特性和邊界條件也存在著較大差異，而熱源產(chǎn)生的熱量傳遞過程，也存在比例不相等的情況，從而造成機床熱誤差問題。另外，在機床加工過程中，受到內(nèi)外熱源的共同作用，也會使得整體溫度場發(fā)生變化，尤其是在機床組成部分形狀、材料特性存在一些差異，這樣也使得其在同等溫度下出現(xiàn)不同的熱變形，進而導(dǎo)致加工精度較差的問題。

2.2 搭建機床坐標系

在對龍門銑床誤差展開分析時，也需要搭建相匹配的坐標系，這也是量化分析活動的基礎(chǔ)條件。在機床加工過程中，兩條運動鏈會在刀具和工件接觸時，也會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)閉合的情況，因此在坐標系的建設(shè)中，應(yīng)注意以下內(nèi)容：在機床中設(shè)置固定參考坐標系O點，同時也需要在運動軸當(dāng)中，建立相匹配的局部坐標系，記作A、B、C…，而且在機床主軸上搭建局部坐標系，并且也需在刀具和工件位置布設(shè)局部坐標系，這樣也為后續(xù)建?；顒拥倪M行奠定基礎(chǔ)。而且無論是哪一個局部坐標系，坐標系的原點需要與機床零點重合。對于得到的數(shù)據(jù)，需要對其再進行轉(zhuǎn)換處理，基于標準齊次坐標變換原理建立轉(zhuǎn)換矩陣對數(shù)據(jù)進行處理，從而得到用于數(shù)據(jù)整理的信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)整理奠定基礎(chǔ)。

2.3 平動軸熱誤差分析

在對誤差實時補償系統(tǒng)進行開發(fā)時，應(yīng)做好平動軸熱誤差分析，這也是降低零部件加工精度的重要因素。從目前的情況來看，主軸主要由導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)與溜板結(jié)構(gòu)組成，在理想狀態(tài)下會沿著某一軸線進行運動，雖然隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展不斷提升，幾何誤差、熱誤差得到了更加有效的控制，但依然面臨著熱誤差問題。在平動軸運動過程中，在導(dǎo)軌間、軸承間相互摩擦以及齒輪齒條摩擦的作用下，平動軸運動會受到大量熱量的影響，導(dǎo)致平動軸在運動過程中在不同方向上出現(xiàn)熱變形誤差，而且坐標軸原點也將沿著機床工作方向出現(xiàn)不同的熱漂移誤差。機床作為一個混合結(jié)構(gòu)，不同部件的熱特性和邊界條件也有著較大差異，這樣零部件在工作中將受熱變形因素影響出現(xiàn)空間誤差，這也是后續(xù)建立誤差坐標系時需要注意的內(nèi)容。

2.4 旋轉(zhuǎn)軸熱誤差分析

在對誤差實時補償系統(tǒng)進行開發(fā)時，應(yīng)做好旋轉(zhuǎn)軸熱誤差分析，這也是降低零部件加工精度的重要因素。從目前的應(yīng)用情況來看，旋轉(zhuǎn)軸在工作期間，除了圍繞回轉(zhuǎn)軸線進行旋轉(zhuǎn)外，在應(yīng)用中也很容易出現(xiàn)位置偏移與竄動的問題。在理想狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)軸會沿著某一旋轉(zhuǎn)軸線進行運動，但是在實際應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)軸運動過程會受到主軸高速旋轉(zhuǎn)的影響，并且在熱傳導(dǎo)作用下，會使得旋轉(zhuǎn)軸運動時受到大量熱量的影響，從而造成旋轉(zhuǎn)軸在運動過程中出現(xiàn)不同方向上的熱變形誤差，而且旋轉(zhuǎn)軸自身電機運動時產(chǎn)生的熱量，也會進一步加劇此變形問題，而零件摩擦問題也將是熱源產(chǎn)生的重要來源。在具體的分析活動中，也需要將坐標軸原點和參考坐標系原點重合在一起，并且對于方向進行處理，搭配著相匹配的變換矩陣，獲取到可靠的定量分析結(jié)果，從而更好地完成誤差分析工作。

2.5 主軸熱誤差分析

除了上述分析內(nèi)容之外，在開發(fā)誤差實時補償系統(tǒng)時，應(yīng)做好主軸熱誤差分析工作，這也是提高零部件加工精度的重要參考。從目前的應(yīng)用情況來看，主軸在工作期間經(jīng)常保持高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，其制造精準度較高，很容易忽略結(jié)構(gòu)尺寸類問題，從而造成運動位置偏移與竄動的問題。理想狀態(tài)下主軸會沿著某一軸線運動，但實際上主軸運動過程會因高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生大量的熱量，這將造成主軸在運動過程中出現(xiàn)不同方向上的熱變形誤差，而且主軸中零件摩擦問題也將是熱源產(chǎn)生的重要來源。因此，在具體的分析活動中，需要將坐標軸原點和參考坐標系原點重合在一起，同時需要做好刀具偏差、熱傾斜偏差、熱漂移偏差整理等工作，建立相匹配的變換矩陣，以獲取到可靠的定量分析結(jié)果，從而更好地完成誤差分析。

3 龍門銑床誤差實時補償試驗

3.1 外部坐標原點偏移分析

3.1.1 系統(tǒng)各部分信息交互

在龍門銑床誤差實時補償試驗活動中，需要做好系統(tǒng)各部分信息交互工作?；贔ANUC 0i 系列數(shù)控系統(tǒng)，在對外部坐標原點進行偏移分析時，建立的坐標系偏移功能機會借助內(nèi)置PMC（生產(chǎn)與物料控制）和CNC（數(shù)控機床）控制單元來完成機床信息交互處理，從而提升信息交互質(zhì)量。在具體試驗過程中，所設(shè)置的FANUC 系統(tǒng)可以細分為兩個部分，即調(diào)控伺服電動機和主軸電動機，從而更好地調(diào)控電氣運行部分、獲取PMC 信號。在應(yīng)用中PMC 與PLC 很相似，均屬于專用于機床的智能控制器：在PMC 順序程序的應(yīng)用中，對于信號的位置進行了標注，而標準的地址程序在應(yīng)用中也會整理機床信號輸入和輸出信號，并且信號也會和CNC 的輸入信號、內(nèi)部繼電器、計數(shù)器、保持型繼電器、數(shù)據(jù)表等進行匹配。每一個信號均由位號、地址號構(gòu)建，在交互處理環(huán)節(jié)中可以更加直觀地表達出各類信號與地址之間的關(guān)系，滿足相應(yīng)數(shù)據(jù)分析要求。

3.1.2 外部坐標偏移信息整理

在開展誤差補償活動中，需要分析補償機床熱誤差，并以此為基礎(chǔ)來設(shè)置補償器。在應(yīng)用中該補償器屬于集成了溫度采集模塊、位移參數(shù)采集模塊、傳輸模塊的綜合服務(wù)系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容有：

（1）模塊在應(yīng)用中會將電腦與CNC 順利連接在一起，根據(jù)實際情況來向CNC 下達相應(yīng)的補償指令，為補償活動的順利進行奠定基礎(chǔ)。

（2）對于溫度值與位移值進行采集，以此來搭建相匹配的熱誤差模型，期間也需要基于所測溫度值來順利得到準確的熱誤差補償值，隨后也會向CNC 發(fā)送相關(guān)指令。而且在外部補償器的作用下，也可以幫助操作人員順利完成補償工作，從而更好地完成誤差補償工作，滿足相應(yīng)的使用要求。

（3）在補償器的設(shè)計中，還需要整理機床外部坐標原點偏移情況，并以此為基礎(chǔ)來完成誤差補償，從而更好地達到補償工作，提高分析結(jié)果的使用價值[1]。

3.2 補償實施過程與步驟

3.2.1 外部補償器與數(shù)控系統(tǒng)連接

在龍門銑床誤差實時補償試驗活動中，需要做好外部補償器與數(shù)控系統(tǒng)連接工作。根據(jù)FANUC 0i 系列數(shù)控系統(tǒng)提供的便利，按要求分析外部坐標原點偏移時會建立可靠的通信系統(tǒng)，順利輔助系統(tǒng)完成機床信息的交互處理，提升信息交互質(zhì)量。在具體的試驗過程中，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)實時補償器一般會被安裝到電氣箱的底部，在工作中可以對外發(fā)送信息，而且在并口位置也可以利用并口順利實現(xiàn)PMC 連接。在應(yīng)用中并口同PMC 功能上的寄存器也會整理機床信號輸入和輸出信號（信號會和CNC 數(shù)據(jù)表進行匹配，每一個信號均由位號、地址號構(gòu)建），這樣在信號關(guān)聯(lián)處理中也會對這些信息進行整理分析，從而更好地滿足相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析要求，提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的使用價值[2]。

3.2.2 數(shù)控系統(tǒng)梯形程序的編制

在搭建外部補償器與機床CNC 系統(tǒng)后，為了更好地完成外部補償器與機床CNC 寄存器的關(guān)聯(lián)性，實際應(yīng)用中還應(yīng)對CNC系統(tǒng)中的PMC 展開軟件編程，作用是對已有信息展開梯形編程語言處理。但這類語言在使用中也會內(nèi)嵌在CNC 系統(tǒng)中，因此該步驟在應(yīng)用中也會借助機床數(shù)控系統(tǒng)提供的便利，在特定語言環(huán)境中對語言進行編輯，隨后將這些信息錄入CNC，以滿足相應(yīng)的編制要求。同時在補償軟件的應(yīng)用背景下，所建立的熱誤差預(yù)測模型也會在PMC 中接入I/O 接口，其作用是將熱誤差補償數(shù)據(jù)順利傳入CNC 系統(tǒng)，從而完成相匹配的梯形程序，提升補償器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。而且在控制程序的工作中，還會對CNC 坐標系偏移值進行整理和檢查，除了對上下限數(shù)值進行設(shè)定處理外，需要整理一次偏移量，如果其數(shù)值超出設(shè)定范圍系統(tǒng)則不會輸出到CNC 控制器。如果完成了數(shù)據(jù)信號和地址的設(shè)定，那么在應(yīng)用中也需增加時間延遲，這樣可以確保數(shù)據(jù)閂鎖維持在穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時ESTB 在工作中才可以順利地從低電平拉伸到高電平，避免時序不正常造成數(shù)控機床故障[3]。

3.3 誤差補償效果驗證

為了校核利用外部坐標偏移功能順利定位誤差補償效果，需要做好補償實驗工作。在具體應(yīng)用中，需要對補償結(jié)果進行檢測，校核內(nèi)容涉及工作臺X、Y 軸定位誤差，以及熱機工作臺X、Y 軸定位誤差情況，整理進行補償處理和未補償處理情況下的數(shù)據(jù)情況。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在系統(tǒng)冷機狀態(tài)下，其在X 軸、Y 軸上的定位誤差也從最初的45.6 μm、8.6 μm 分別下降到完成補償后的13.6 μm 和1.6 μm，定位誤差下降幅度超過65%；在系統(tǒng)熱機狀態(tài)下，其在X 軸、Y 軸上的定位誤差也從最初的16.6 μm、20.6 μm 分別下降到完成補償后的3.6 μm 和1.9 μm，下降幅度超過70%，具備良好的應(yīng)用效果[4]。

4 結(jié)論

綜上所述，在數(shù)控銑床工作期間，做好誤差補償工作屬于非常重要的工作內(nèi)容，應(yīng)采取合理措施來降低定位誤差，這對于提高零件生產(chǎn)質(zhì)量和成品合格率有著積極意義。