基于G 代碼修改的數(shù)控機床運動誤差修正方法

聶 娜

（山東省菏澤信息工程學(xué)校，山東 菏澤 274000）

0 引言

當(dāng)前隨著現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床加工被應(yīng)用到眾多領(lǐng)域當(dāng)中，對其精度的要求也進一步提高。在數(shù)控機床中，運動誤差是衡量其精度的一個重要指標(biāo)，它對工件的加工精度有很大的影響。有很多因素會導(dǎo)致運動誤差，如何將其識別出來，如何在機床設(shè)計、制造及使用中，對其進行快速、準(zhǔn)確的追溯，已成為亟待解決的難題[1]。目前，常見的提升數(shù)控機床運動精度的方法包括兩種，一種為誤差防止，另一種為誤差補償修正。預(yù)防錯誤的措施是在設(shè)計、制造、裝配、運輸過程中盡量降低或消除錯誤源，但是在實踐中，隨著加工精度的提高，僅僅通過預(yù)防錯誤的方法來減少或消除錯誤，將使生產(chǎn)成本大大增加，而且其技術(shù)難度也隨之提升了不少[2]。因而，僅靠預(yù)防誤差的方法已難以滿足現(xiàn)代數(shù)控機床對高精度運動的需求。

綜合上述分析，針對數(shù)控機床的運動誤差補償修正是實現(xiàn)高精度數(shù)控機床運動、改善數(shù)控機床性能的重要途徑。相關(guān)領(lǐng)域研究人員也對其進行了深入的探索研究，先后出現(xiàn)了三角關(guān)系幾何法、矢量法等多種數(shù)控機床運動誤差補償修正的理論研究。但目前，以上方法在實際應(yīng)用中都會存在一些問題，限制其進一步的廣泛運用，例如構(gòu)建的誤差模型不具備通用性、運算量大、操作復(fù)雜等。因此，針對當(dāng)前現(xiàn)有誤差修正方法存在的問題，引入G 代碼修改，開展對數(shù)控機床運動誤差修正方法的設(shè)計研究。

1 構(gòu)建數(shù)控機床運動誤差模型

為了得到一種具有普適性的誤差模型，基于多體系統(tǒng)理論以及齊次坐標(biāo)變換理論，將機床分成兩個部分，分別得到了兩個部分，一個是刀具，另一個是工件。分別建立在理想狀態(tài)下和存在誤差狀態(tài)下刀具與相應(yīng)工件的位置表達函數(shù)，并以此得到數(shù)控機床運動誤差模型。將數(shù)控機床基本結(jié)構(gòu)作為核心，將其劃分為刀具分段和工件分段兩個組成部分[3]。其中刀具分段是從數(shù)控機床身開始到刀具；工件分段是從數(shù)控機床身到工件段。結(jié)合多體系統(tǒng)理論分析得出，刀具相對于工件而言，其位置的表達函數(shù)為：

根據(jù)上述運算邏輯可以進一步推算得出刀具相對于床身、工件相對于床身等之間的位置表達函數(shù)[4]。再結(jié)合齊次坐標(biāo)變換理論和小角度誤差假設(shè)得出，相鄰的兩個部件之間，其變換矩陣可表示為：

式中：a 和b 為在數(shù)控機床上運動的兩個部件；δX為a部件相對于b 部件沿著X 軸運動產(chǎn)生的線性位移；δY為a 部件相對于b 部件沿著Y 軸運動產(chǎn)生的線性位移；δZ為a 部件相對于b 部件沿著Z 軸運動產(chǎn)生的線性位移；εX、εY、εZ分別為a 部件相對于b 部件在沿著X 軸、Y 軸、Z 軸旋轉(zhuǎn)過程中對應(yīng)產(chǎn)生的角位移。

將式（1）和式（2）代入式（3），求得空間層面上的數(shù)控機床運動誤差模型為：

式中：ηi為空間層面上數(shù)控機床運動誤差模型表達函數(shù)，i=X、Y、Z；δi為線性誤差。

根據(jù)上述論述完成對數(shù)控機床運動誤差模型的構(gòu)建，為后續(xù)對運動誤差的補償修正提供條件。

2 基于G 代碼修改的運動誤差補償修正

2.1 直線運動誤差補償修正

結(jié)合G 代碼修改的補償修正方式是將數(shù)控機床原始點作為補償?shù)膮⒖键c，在此基礎(chǔ)上對數(shù)控機床運動誤差進行補償。在修正后，其補償點可以表示為：

式中：Pi為補償后的理想運動控制指令值；Pe為通過G 代碼修改后的補償值。

應(yīng)用G 代碼修改的方式對數(shù)控機床沒有特定要求，常見的數(shù)控機床中的數(shù)控系統(tǒng)均可以通過這種方式進行誤差補償修正。通過將數(shù)控機床移動原點的絕對坐標(biāo)用作補償基準(zhǔn)，從而能夠按照式（4）修正G 代碼。本文提出了一種新的求解方法，即相對坐標(biāo)補償?shù)膮⒖键c是前一目標(biāo)點，在進行空間誤差的計算時，必須以前一目標(biāo)點的實際位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)，來計算與前一點的幾何誤差，之后再以其理論位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)，來計算空間誤差；由于前一個目標(biāo)點的指示值已被設(shè)定，但實際坐標(biāo)卻未被設(shè)定，從而導(dǎo)致了幾何誤差的計算不夠精確。因此，相對于相對坐標(biāo)系，所給出的絕對坐標(biāo)系能有效地消除因真實坐標(biāo)系的不確定性所引起的誤差。

在上述論述基礎(chǔ)上，針對數(shù)控機床在進行直線運動時產(chǎn)生的誤差進行補償修正[5]。根據(jù)起點與終點的坐標(biāo)可以確定直線的具體長度，在修正時設(shè)定插補精度為，將起點與終點的直線長度設(shè)置為L，通過式（5）計算確定插補點的坐標(biāo)：

式中：Xi、Yi、Zi為插補點在X 軸、Y 軸和Z 軸上的坐標(biāo)；i 為插補點序號。

結(jié)合上述計算公式，計算得出各個插補點的理想位置坐標(biāo)。在對G 代碼進行修正時，需要選擇不同的L，用來實現(xiàn)對不同插補精度要求的補償，以此實現(xiàn)對數(shù)控機床部件直線運動的誤差修正。

2.2 圓弧運動誤差補償修正

在對數(shù)控機床進行圓弧運動時產(chǎn)生的誤差進行補償修正時，需要明確圓弧運動軌跡的起點、終點和圓心坐標(biāo)。按照上述基本邏輯，確定插補點的坐標(biāo)為：

根據(jù)式（6）確定插補點的具體位置。通過插補點的設(shè)置可以使數(shù)控機床圓弧運動軌跡與初始在數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)置的軌跡基本一致，實現(xiàn)對誤差的補償修正。在進行對G 代碼的修改時，可以選擇不同的α 用以滿足不同的插補精度需要。根據(jù)上述論述，實現(xiàn)對數(shù)控機床直線運動和圓弧運動誤差的修正，確保數(shù)控機床運動精度得到有效提升。

3 對比試驗

選擇以基于矢量法的誤差修正方法和基于三角關(guān)系幾何法的誤差修正方法作為對照A 組和對照B組，將本文上述提出的方法作為試驗組。利用三種修正方法對同一數(shù)控機床運動誤差進行修正補償，通過對比補償后的效果，實現(xiàn)對其各自性能的對比。所選用的數(shù)控機床型號為DX46350 三軸數(shù)控機床，該型號機床在運動時橫軸有效行程為550 mm，縱軸有效行程為750 mm?？刂圃撔吞枖?shù)控機床進行圓弧運動。圖1 為該數(shù)控機床在修正前的平面圓弧運動軌跡。

圖1 數(shù)控機床修正前平面圓弧運動軌跡示意圖

圖1 中虛線圓表示對該數(shù)控機床設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)運動軌跡，實線圓表示該數(shù)控機床實際完成運動后留下的軌跡。從圖1 可以看出，該數(shù)控機床運動存在明顯的誤差，針對這一問題，分別利用上述三種修正方法對其進行修正，并在修正后再次完成上述運動，將運動軌跡記錄，如圖2 所示。

圖2 三種修正方法應(yīng)用后數(shù)控機床平面圓弧運動軌跡

對比圖2 中三種修正方法應(yīng)用后數(shù)控機床平面圓弧運動軌跡可以看出，圖2-1 實際軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡相比仍然存在較大的差異，其次為圖2-2，圖2-3 的數(shù)控機床實際運動軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡基本一致，說明實現(xiàn)了對數(shù)控機床運動誤差的有效修正。

4 結(jié)語

通過上述研究，結(jié)合G 代碼修改，提出了一種全新的針對數(shù)控機床運動誤差的修正方法。通過對比試驗的方式證明，新的修正方法在實際應(yīng)用中具有極高的有效性，將該方法應(yīng)用到數(shù)控機床運動當(dāng)中可以有效提高運動精度，為數(shù)控機床加工質(zhì)量提升提供技術(shù)條件。