數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及其運(yùn)用措施

錢奇峰，傅楊程，王 浙

（永成集團(tuán)有限公司，浙江 諸暨 311800）

自數(shù)控機(jī)床開始應(yīng)用以來，人們就開始關(guān)注其生產(chǎn)過程中的誤差。在技術(shù)的推動下，數(shù)控機(jī)床技術(shù)的加工精度不斷提升，這對于推動我國工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。但熱變形誤差和幾何誤差的存在也在很大程度上限制了數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，尤其是高精尖的領(lǐng)域?qū)τ诹慵募庸ぞ扔兄^為嚴(yán)苛的要求，這對數(shù)控機(jī)床加工工作而言無疑是一種挑戰(zhàn)。因此需要以數(shù)控機(jī)床誤差的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，通過不斷創(chuàng)新補(bǔ)償技術(shù)，提升應(yīng)用水平，才能改善我國的產(chǎn)品加工質(zhì)量，讓機(jī)械制造業(yè)更好地為其他領(lǐng)域服務(wù)。

1 數(shù)控機(jī)床誤差概述

1.1 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生誤差的原因分析

通過對當(dāng)前數(shù)控機(jī)床加工模式的研究可以發(fā)現(xiàn)，影響誤差的因素主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，數(shù)控機(jī)床設(shè)備的空間位置誤差。由于外力、受熱等因素的影響，數(shù)控機(jī)床的刀具在工件部位會產(chǎn)生一定程度的偏差。另外，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)在工作過程中，由于跟蹤處理、傳動結(jié)構(gòu)以及位置檢測等流程的影響，也會發(fā)生一定程度的位置變化，從而導(dǎo)致加工誤差的存在。

第二，由于數(shù)控機(jī)床加工過程中需要根據(jù)工藝的具體需要調(diào)整刀具。在刀具使用過程中，由于摩擦生熱以及外部因素的影響，刀具變形、伸長以及磨損問題也經(jīng)常出現(xiàn)，這些因素都會導(dǎo)致加工誤差的出現(xiàn)[1]。

第三，加工件材質(zhì)以及夾具變形造成的位置誤差。在利用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，由于加工材料存在差異，因此切削熱對材料的影響程度也有不同，裝夾系統(tǒng)也會由于切削熱和工件的材質(zhì)等問題發(fā)生不同程度的變形，從而形成隨機(jī)誤差。

第四，機(jī)床檢測過程中形成的測量誤差。在數(shù)控機(jī)床加工的過程中，有時(shí)需要進(jìn)行尺寸檢測，在檢測過程中由于測量工作本身存在誤差，也會導(dǎo)致零部件出現(xiàn)誤差，這也是具體加工作業(yè)過程中需要關(guān)注的重要方面。

1.2 誤差補(bǔ)償技術(shù)類型分析

在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，主要利用數(shù)控程序控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，并按照步驟完成加工過程。數(shù)控加工的優(yōu)勢是自動化程度高、加工品質(zhì)統(tǒng)一、加工效率高，但與人工操作機(jī)床加工相比，也存在不能隨時(shí)檢測加工量、加工的主觀能動性不足等問題。就目前而言，數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)主要包括實(shí)施補(bǔ)償法、靜態(tài)補(bǔ)償法以及綜合動態(tài)補(bǔ)償法三種形式。三種補(bǔ)償方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在具體應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行選擇。

其中，靜態(tài)補(bǔ)償法處理方式操作相對容易，但靈活性不高；實(shí)施補(bǔ)償法處理方式相對于靜態(tài)補(bǔ)償法更加靈活，有效減少誤差的影響。但這種調(diào)整補(bǔ)償也有一定的局限性，具體而言，實(shí)施補(bǔ)償法不能對雙軸和三軸聯(lián)動的機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，因此其補(bǔ)償?shù)墓δ苤荒芫窒拊谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)。綜合補(bǔ)償法作為一種數(shù)控機(jī)床加工處理的新方法，能夠提升補(bǔ)償處理的針對性，從而有效降低誤差對工藝生產(chǎn)的影響[2]。

2 數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床加工過程中利用誤差控制系統(tǒng)可提升產(chǎn)品的加工質(zhì)量。另外，將先進(jìn)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)結(jié)合起來，能夠進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)床的控制水平和工作效率，推動我國機(jī)械制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.1 誤差模擬及控制技術(shù)

數(shù)控機(jī)床設(shè)備加工時(shí)，利用誤差模擬技術(shù)檢測被加工零部件存在的變形情況，并對其進(jìn)行相應(yīng)的檢測與評估，對機(jī)床加工生產(chǎn)的流程進(jìn)行分析。在科研人員的不懈努力下，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床加工精度不斷提升，大幅度增加零部件加工精度，提高國內(nèi)產(chǎn)品在市場上的競爭力。

數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)通過測量與計(jì)算各零部件的誤差，具體包括零件出廠差異以及加工過程中的熱變形情況、承重變形情況。技術(shù)人員通過分析與比對差異數(shù)據(jù)，利用補(bǔ)償公式計(jì)算。通過研究和實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床誤差模擬技術(shù)在實(shí)踐中優(yōu)勢顯著，但這種補(bǔ)償方式的通用性不強(qiáng)，一旦遇到參數(shù)多變的生產(chǎn)環(huán)境，這種技術(shù)的應(yīng)用準(zhǔn)確性不高，因此其應(yīng)用具有一定的局限性[3]。

2.2 準(zhǔn)確測量機(jī)床加工誤差

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，零部件外形誤差是不可避免的，通常選擇誤差測量法與綜合測量辨識測量法進(jìn)行。前者測量技術(shù)使用時(shí)，需要借助精密誤差測量設(shè)備的優(yōu)勢，完成對數(shù)控機(jī)床各項(xiàng)零件設(shè)備的測量工作。如，測量3D 數(shù)控機(jī)床誤差項(xiàng)時(shí)，測量重點(diǎn)誤差內(nèi)容時(shí)選擇雙頻激光器，其他部位測量則選擇電子水平儀即可。

以上兩種設(shè)備的精度較高，因此能夠提升測量工作的準(zhǔn)確性。誤差綜合測量辨識法，掃描測量數(shù)控機(jī)床的特定位置，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)字模型，通過對比數(shù)字模型數(shù)據(jù)與原始參數(shù)，鎖定誤差數(shù)值。在應(yīng)用這種方式開展誤差測量工作時(shí)，相對準(zhǔn)確，并且設(shè)備的投入較少，因此在數(shù)控機(jī)床測量工作中具有非常廣泛的應(yīng)用。

2.3 加工誤差補(bǔ)償方法

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)誤差補(bǔ)償方法種類較多，主要可分成三類：其一，NC 系統(tǒng)補(bǔ)償法；其二，前饋補(bǔ)償法；其三，反饋補(bǔ)償法。NC 系統(tǒng)補(bǔ)償法會影響到數(shù)控機(jī)床使用，具體零部件加工時(shí)，通過NC 系統(tǒng)操作完成相關(guān)指令。這種方法通過脈沖測量誤差，之后將測量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)之后會立刻展開分析，然后使用反饋補(bǔ)償法對誤差進(jìn)行處理，采用這種方式能夠保證誤差補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度。

另外，使用這種轉(zhuǎn)換數(shù)碼程序的方式進(jìn)行誤差補(bǔ)償，效果相對比較明顯。前饋補(bǔ)償法對伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，從而完成誤差的補(bǔ)償處理。這種方法在具體的應(yīng)用過程中，從而確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行；反饋補(bǔ)償法，利用計(jì)算機(jī)處理所得的誤差數(shù)據(jù)，利用這種方式補(bǔ)償誤差。在應(yīng)用反饋補(bǔ)償法時(shí)，應(yīng)用號光柵技術(shù)設(shè)備進(jìn)行處理，保證處理效果。

3 綜合補(bǔ)償技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

3.1 多體系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)

多體系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的零件較多，組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此影響最終誤差的因素也相對較多。需要從構(gòu)成零部件入手，通過深入分析零部件的運(yùn)作流程，科學(xué)選擇誤差補(bǔ)償技術(shù)，從而有效減少機(jī)床誤差對零件加工的影響[4]。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械數(shù)控加工技術(shù)迎來了一個(gè)全新的發(fā)展局面，可以借助機(jī)械數(shù)控編程系統(tǒng)對產(chǎn)品需求進(jìn)行提前設(shè)置，對整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展的基礎(chǔ)上，針對編程技術(shù)進(jìn)行不斷發(fā)展創(chuàng)新，使得機(jī)械加工效率不斷推進(jìn)，結(jié)合具體的產(chǎn)品生產(chǎn)需求，借助智能化編程技術(shù)的應(yīng)用，可以針對整個(gè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行完善。在此，只需要建立明確的加工目標(biāo)，配合編程人員的編程技術(shù)，降低人為因素的不利影響。此外，編程人員在實(shí)際工作中一定要堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新的原則，借助信息技術(shù)的輔助，不斷提升對編程技術(shù)的應(yīng)用，針對智能化加工系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)外優(yōu)秀機(jī)械設(shè)備加工理念。

3.2 熱變形誤差的控制

數(shù)控機(jī)床使用過程中熱變形問題較為常見，這也是出現(xiàn)絲杠變形的主要因素之一。要想解決這一問題，需要根據(jù)實(shí)際情況采取補(bǔ)償措施。具體可以采取以下措施：其一，制冷系統(tǒng)的改進(jìn)。提升絲杠系統(tǒng)的耐熱性，從而有效避免受熱導(dǎo)致的形變問題，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。其二，針對目前數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以利用激光補(bǔ)償?shù)姆绞酱_保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

就當(dāng)前而言，我國相對于發(fā)達(dá)國家，在數(shù)控機(jī)床加工流程上還存在一定的差距。對此在具體加工過程中，需要做好機(jī)床零件質(zhì)量的把控，充分利用現(xiàn)代技術(shù)和理念做好創(chuàng)新工作。在具體操作過程中還需要結(jié)合實(shí)際情況選擇相應(yīng)的誤差補(bǔ)償措施，利用先進(jìn)設(shè)備做好誤差的測量、計(jì)算以及分析工作，有效減少零件誤差對機(jī)床加工的影響，助力我國機(jī)械制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。

3.3 做好刀具研磨與優(yōu)化

數(shù)控加工過程中會產(chǎn)生大量切削熱，加工運(yùn)行時(shí)刀具與各類材料接觸面積不斷增加，造成切削阻力與摩擦力逐漸增加，在諸多力作用下產(chǎn)生切削熱。隨著刀具磨損程度增加使得切削熱產(chǎn)生量增加，影響到加工質(zhì)量，使得斷刀概率增加，降低設(shè)備使用效率。

刀具研磨的作用是為了去除刀具使用過程中產(chǎn)生的磨損和缺陷，以此保證刀具在數(shù)控加工活動中的正常使用以及數(shù)控器械的正常運(yùn)行，確保加工效率。正常情況下，隨著切削刀具使用時(shí)間和次數(shù)的不斷提升，其磨損情況也會與日俱增，進(jìn)而將切削力量抵消，出現(xiàn)發(fā)熱、機(jī)械振動頻率增大等現(xiàn)象，而且隨著刀具磨損的發(fā)生，會對加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，隨著磨損加劇，會導(dǎo)致刀具位置和孔壁質(zhì)量等發(fā)生變化，不僅影響正常使用，縮短刀具壽命等，還會增加刀具斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，對加機(jī)械加工人員生命安全造成威脅。因此，在開展數(shù)控加工活動時(shí)，針對切削刀具一定要定期進(jìn)行科學(xué)研磨，去除其磨損層，針對刀具鋒利度進(jìn)行全面強(qiáng)化。但要注意，在進(jìn)行研磨時(shí)，還要關(guān)注研磨次數(shù)和頻率，因?yàn)檫^多的次數(shù)和頻率會導(dǎo)致道具厚度迅速減小，影響使用壽命[6]。

3.4 做好數(shù)控機(jī)床保養(yǎng)

數(shù)控機(jī)床設(shè)備的故障發(fā)生會擾亂制造生產(chǎn)企業(yè)原有的生產(chǎn)計(jì)劃，嚴(yán)重時(shí)還會造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少數(shù)控機(jī)床設(shè)備的故障發(fā)生率，應(yīng)加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床設(shè)備的保養(yǎng)。目前，數(shù)控機(jī)床設(shè)備的保養(yǎng)模式主要包括用后保養(yǎng)模式、預(yù)防保養(yǎng)模式及預(yù)測保養(yǎng)模式等。

3.4.1 用后保養(yǎng)模式

建立并完善數(shù)控機(jī)床設(shè)備數(shù)量及型號的基本資料，主要包括設(shè)備名稱、產(chǎn)地、型號、數(shù)量、使用年限、保存位置及購入價(jià)格、時(shí)間等資料。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)控機(jī)床設(shè)備的管理與定期維護(hù)，做到有據(jù)可依。在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床設(shè)備維修與保養(yǎng)過程中，認(rèn)真記錄保養(yǎng)信息，減少由于數(shù)控機(jī)床數(shù)量、型號等較多帶來一定的維修保養(yǎng)難題。數(shù)控機(jī)床用后保養(yǎng)模式就是在數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障發(fā)生后進(jìn)行保養(yǎng)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)控機(jī)床設(shè)備的保養(yǎng)，可以降低數(shù)控機(jī)床的故障發(fā)生率，避免數(shù)控機(jī)床設(shè)備后期發(fā)生較大故障后影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，避免造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

3.4.2 預(yù)防保養(yǎng)模式

數(shù)控機(jī)床預(yù)防保養(yǎng)模式主要是定期(周保養(yǎng)、月保養(yǎng)、季保養(yǎng)、年保養(yǎng)等)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)，對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定期檢查與測試。根據(jù)測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行維修與調(diào)整，可以預(yù)防數(shù)控機(jī)床設(shè)備的故障發(fā)生，降低日常數(shù)控機(jī)床保養(yǎng)投入成本。數(shù)控機(jī)床設(shè)備的精準(zhǔn)保養(yǎng)及維護(hù)過程是一個(gè)涉及多個(gè)部門聯(lián)合實(shí)施的管理過程，從管理人員到操作人員，最后到保養(yǎng)維修技術(shù)人員都是數(shù)控機(jī)床精準(zhǔn)保養(yǎng)的主體部分，因此，未來應(yīng)該加強(qiáng)控機(jī)床精準(zhǔn)保養(yǎng)人員配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床精準(zhǔn)保養(yǎng)與維修技術(shù)效率的最大化。

3.4.3 預(yù)測保養(yǎng)模式

數(shù)控機(jī)床預(yù)測保養(yǎng)模式是近期發(fā)展的一種設(shè)備保養(yǎng)模式之一，主要是對數(shù)控機(jī)床日常運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測與診斷，在必要時(shí)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的保養(yǎng)與維護(hù)，提高設(shè)備保養(yǎng)效率，時(shí)刻維持設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償

利用軟件技術(shù)結(jié)合誤差檢測結(jié)果進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償已經(jīng)經(jīng)歷了多年的研究和應(yīng)用，技術(shù)理論的早期研發(fā)者為法蘭克公司（FANUC）和西門子公司（SIEMENS），主要是利用誤差檢測的數(shù)據(jù)開展資料分析，并利用分析結(jié)果控制機(jī)床進(jìn)行刀具位置的調(diào)整，再利用誤差檢測技術(shù)進(jìn)行刀具位置調(diào)整后的驗(yàn)證。在傳統(tǒng)的數(shù)控車削加工過程中，主要采用直接修改程序代碼的方式進(jìn)行修正，這種方法簡單便捷，但是對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的新的誤差問題適應(yīng)能力不足，基于這一問題，現(xiàn)階段的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償多采用以下兩種適應(yīng)性更好的新技術(shù)。

（1）原點(diǎn)平移誤差補(bǔ)償是一種實(shí)時(shí)補(bǔ)償誤差的新技術(shù)，其特征是在完成誤差補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)不改變源程序代碼，只通過分析誤差因素對系統(tǒng)的原點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，使原點(diǎn)向誤差的反方向平移，達(dá)到修正的目的，具有簡單、對控制過程干擾小、效果顯著的特點(diǎn)。（2）反饋截?cái)嗍秸`差補(bǔ)償是利用編碼器的反饋信號增加或減少反饋脈沖實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，利用機(jī)床綜合誤差相等的脈沖信號與編碼器反饋信號進(jìn)行相加或相減，實(shí)現(xiàn)快速修改反饋信號，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)床運(yùn)動軸的位置，該技術(shù)應(yīng)用過程相對復(fù)雜。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控機(jī)床在我國的機(jī)械加工制造行業(yè)中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，為進(jìn)一步提升零部件的加工質(zhì)量，需要合理使用誤差補(bǔ)償技術(shù)，還要重視現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用。同時(shí)，要盡可能不改動原有數(shù)控機(jī)床設(shè)備，最大程度降低誤差，進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床設(shè)備加工精度。