卓　飛

試論數(shù)控機床誤差綜合補償技術及其運用

卓飛

(南京浦口中等專業(yè)學校，江蘇 南京 211800 )

隨著我國綜合國力的不斷提升，我國的數(shù)控機床技術也取得了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成為機械制造行業(yè)的重要支撐。現(xiàn)代數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)效率越來越高，對數(shù)控機床在加工過程中的精準性也提出了新的要求。數(shù)控機床在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差時，應用數(shù)控機床綜合補償技術使機床自行進行數(shù)據(jù)校正，可以在一定程度上降低因頻繁進行人工校正數(shù)控機床設備造成的時間成本和人力成本，能夠很好的彌補技術缺陷，保證數(shù)控機床數(shù)據(jù)的精準性。

數(shù)控機床；誤差；補償技術；實際應用

近年來，我國通過對制造業(yè)的不斷升級和優(yōu)化，大力發(fā)展先進制造業(yè)，力爭從制造大國邁向制造強國。廣泛應用數(shù)控機床自動化技術是我國機械制造行業(yè)能否轉(zhuǎn)型成高端制造業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)，而高端制造業(yè)也對數(shù)控機床的加工精準度也提出了更高的要求。數(shù)控機床綜合補償技術是指在數(shù)控機床運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差時，通過人為干預，使數(shù)控機床自行對其進行數(shù)據(jù)校正，將數(shù)控機床的原有加工誤差進行抵消操作。在數(shù)控機床中應用數(shù)控機床綜合補償技術能夠有效減小數(shù)控機床加工時產(chǎn)生的誤差。

1　數(shù)控機床存在誤差的原因

引發(fā)數(shù)控機床加工誤差的原因有很多，加工過程中的各個環(huán)節(jié)都有造成加工誤差的可能。通過表1可以看出，在數(shù)控機床加工過程產(chǎn)生誤差的各種原因中，機床誤差占比最大，已經(jīng)達到45%～65%。造成機床誤差的主要原因有機床實際擺放位置與理想擺放位置沒有一致、熱誤差以及力誤差。熱誤差是由于機床在加工過程中持續(xù)運轉(zhuǎn)摩擦的過程中產(chǎn)生大量的熱量，造成機床零件發(fā)生熱變形而產(chǎn)生，如圖1所示。力誤差主要是機床在運行過程中，受機床自身重量、工具零件重量和機身震動等原因引發(fā)機床零件位置偏移而造成[1]。

表1　數(shù)控機床加工過程中誤差分類占比表

圖1　機床熱誤差影響

2　機床誤差補償技術的類型

現(xiàn)階段，我國數(shù)控機床誤差補償技術主要有3種，分別是實施補償法、靜態(tài)補償法、綜合動態(tài)補償法。這三種補償方法各有利弊，在應用過程中，要結(jié)合機床加工的實際情況來選擇最適合方法。靜態(tài)補償法主要是依據(jù)預先設定的各個機械數(shù)值對機床設備的零件進行矯正，缺點是不能根據(jù)機床實際情況進行調(diào)整，靈活性較差。實施補償法是通過機床的硬件設施進行補償，這種方法能夠根據(jù)機床的實際情況進行調(diào)整，減小機床數(shù)據(jù)誤差的數(shù)值，但是不能對雙軸以及三軸聯(lián)動的機床進行調(diào)整，應用范圍有限。綜合補償法是將機床補償機制與信息技術相結(jié)合的新技術，能夠根據(jù)自身的優(yōu)點針對機床的實際問題進行實時調(diào)整，確保機床加工的誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此，在數(shù)控機床加工中應用綜合補償法，能夠有效地減小加工誤差[2]。

3　機床誤差綜合補償技術分析

在機床加工的過程中，精密的設備和先進的誤差控制系統(tǒng)是機床加工精度的重要保證。完善的誤差控制系統(tǒng)能夠保證機床在運行過程中嚴格按照設定的數(shù)值進行工作，保證數(shù)控機床加工的精度。先進的機床控制系統(tǒng)能夠?qū)C床進行誤差補償，將數(shù)控機床在加工過程中的誤差控制在可接受的范圍內(nèi)，提升數(shù)控機床加工的良品率。將先進技術與數(shù)控機床控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以提高數(shù)控機床運行的穩(wěn)定性，降低數(shù)控機床加工產(chǎn)品的誤差值，為我國數(shù)控機床加工行業(yè)的發(fā)展提供保障[3]。

3.1　數(shù)控機床的誤差模擬

利用數(shù)控機床誤差模擬技術可以監(jiān)測數(shù)控機床內(nèi)部零件的熱力變形以及承載力變形的狀況并對其性能進行檢測和評估，還能夠監(jiān)控和分析機床加工的過程[4]。

近年來，我國的數(shù)控機床誤差補償技術取得了飛速發(fā)展，為數(shù)控機床加工提供了質(zhì)量保障。數(shù)控機床誤差補償技術通過測量和計算機床各個零件之間的差異，其中包含零件出廠時的差異以及機床在生產(chǎn)過程中熱變形以及承重變形壓力造成的差異數(shù)值，將通過測量出的差異數(shù)值進行比對可以得出機床補償公式，再通過模擬實驗論證其補償公式的準確性。從實際檢測數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控機床誤差模擬技術應用在特定的條件中有顯著的效果，但是數(shù)控機床誤差模擬技術的通用性能較差，在參數(shù)多變的機床上應用誤差模擬技術的準確性就不高[5]。

3.2　對數(shù)控機床誤差的測量

在進行數(shù)控機床零件的外形誤差數(shù)值測量時，通常采用的是確定項誤差測量法和誤差綜合測量辨識參數(shù)法。

在應用確定項誤差測量法，一般使用精密的誤差測量設備對數(shù)控機床的各項零件設備進行測量，以此獲得數(shù)控機床的整體誤差數(shù)據(jù)。例如，在進行3D數(shù)控機床確定項誤差測量時，可以使用精密的雙頻激光器對關鍵誤差內(nèi)容項目進行雙頻激光測量，使用電子水平儀設備對其余項目進行測量。

誤差綜合測量辨識參數(shù)法是指在某一特定位置對數(shù)控機床進行掃描測量，將測量的結(jié)果轉(zhuǎn)化成數(shù)字模型，再把數(shù)字模型與機床的原始參數(shù)進行對比，可以得出精確的誤差數(shù)值。采用誤差綜合測量辨識參數(shù)法進行誤差測量，結(jié)果較為精準且投入的設備較為簡單，適合廣泛應用于測量數(shù)控機床加工誤差[6]。

3.3　誤差補償方法

我國數(shù)控機床誤差補償技術目前主要有三種，分別是NC系統(tǒng)補償法、前饋補償法和反饋補償法。

NC系統(tǒng)對于數(shù)控機床而言非常重要，數(shù)控機床的操作指令需要NC系統(tǒng)來完成。NC系統(tǒng)補償法以脈沖的形式對數(shù)控機床的誤差進行測量和取值，將測量值與通過轉(zhuǎn)換數(shù)碼程序重構(gòu)的初始數(shù)值進行對比，可以得出需要誤差補償?shù)臄?shù)值，運用接口輔助裝置將誤差數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，利用計算機對數(shù)控機床具體參數(shù)進行分析，把得到的數(shù)控機床誤差數(shù)值反饋至NC系統(tǒng)內(nèi)，再將需要修整的誤差疊加至程序中，最后運用反饋補償法進行處理，從而確保誤差補償?shù)木珳识取＿@種轉(zhuǎn)換數(shù)碼程序的手段對三維數(shù)控機床模型的誤差補償額的效果較為明顯。

前饋補償法是根據(jù)數(shù)控機床的誤差來調(diào)控伺服電機，進而實現(xiàn)對數(shù)控機床誤差的補償。前饋補償法在應用過程中，伺服系統(tǒng)會將一定量的數(shù)控機床誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號，使得數(shù)控機床電機能夠穩(wěn)定運行。

反饋補償法是指將計算機中的誤差數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換后進行疊加操作，進而對數(shù)控機床的誤差進行補償。目前我國大部分的數(shù)控機床的控制系統(tǒng)主要采用閉環(huán)式或半閉環(huán)式進行控制，在使用反饋補償法時，需要借助光柵以及碼盤等技術設備[7]。

4　綜合補償技術在數(shù)控機床中的應用

4.1　多體系統(tǒng)數(shù)控機床誤差補償技術

多體系統(tǒng)數(shù)控機床是由柔體和剛體共同建構(gòu)起來的復雜機械。由于多體系統(tǒng)數(shù)控機床的零件較多，組織結(jié)構(gòu)較為復雜，容易引發(fā)數(shù)控機床產(chǎn)生誤差的因素也非常多，因此在對多系統(tǒng)數(shù)控機床進行誤差補償要從其構(gòu)成零件入手，分析其系統(tǒng)以及零件的運行流程，選擇最適合的誤差綜合補償技術，減少機床誤差對數(shù)控機床加工過程中的影響[8]。

4.2　絲杠進給系統(tǒng)的熱變形誤差

在數(shù)控機床的加工過程中，熱變形是導致絲杠變形的主要原因。為了解決這一問題，需要根據(jù)數(shù)控機床絲變形杠的實際情況采取綜合補償措施。首先應該改良絲杠系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，增強其耐熱性，避免出現(xiàn)絲杠系統(tǒng)受熱環(huán)境影響發(fā)生變形，保障數(shù)控機床的加工精度。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)機床可以采用光柵反饋來支撐系統(tǒng)運行，半閉環(huán)數(shù)控機床可以采用激光補償法進行支撐系統(tǒng)運行，保證數(shù)控機床的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)[9]。

4.3　優(yōu)化數(shù)控機床的加工

在數(shù)控機床加工的過程中，首先加強對數(shù)控機床零件質(zhì)量的把控，完善加工流程，從根本上減小數(shù)控機床的誤差，再通過選擇適合該數(shù)控機床的補償技術，對機床的誤差進行測量和計算，進而減小由于零件誤差對數(shù)控機床運行產(chǎn)生的影響。

5　結(jié)語

隨著我國數(shù)控機床技術飛速發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)成為我國工業(yè)生產(chǎn)的支柱設備，但數(shù)控機床在生產(chǎn)時產(chǎn)生的加工誤差會嚴重影響產(chǎn)品的精度，也會制約我國機械制造業(yè)精細化發(fā)展。為了適應我國經(jīng)濟高速發(fā)展對機械制造業(yè)精細化的要求，優(yōu)化和提高數(shù)控機床誤差補償技術已成為當下我國機械制造加工行業(yè)的首要任務。機械制造加工行業(yè)的從業(yè)者需要針對數(shù)控機床的不同誤差類型，選擇合適的誤差綜合補償技術，同時根據(jù)數(shù)控機床的實際情況進行實時調(diào)整，從而提高數(shù)控機床的精準度，降低因數(shù)控機床生產(chǎn)誤差所帶來的影響，促進我國數(shù)控機床領域的發(fā)展。

[1] 陳光勝,梅雪松.誤差綜合補償技術及其在大型數(shù)控磨齒機應用研究[J].機械工程學報,2013,49(4):139.

[2] 王家序,王洪樂,周青華,等.基于修改NC程序的數(shù)控機床綜合誤差三階優(yōu)化補償方法:CN105717864A[P]. 2016.

[3] 李香燕,李金展,盧松濤.數(shù)控機床綜合誤差的檢測及補償技術[J].中國農(nóng)機化學報,2015,36(1):275-278.

[4] 范晉偉,關佳亮,王文超,等.SMART-CNC超精密數(shù)控曲面磨床綜合誤差補償技術[J].北京工業(yè)大學學報,2006, 32(4):306-310.

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[6] 張斌.面向五軸數(shù)控機床的激光高精度多參數(shù)快速綜合測量儀研制與應用[J].科技成果管理與研究,16(10):62-65.

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[8] 陳莉莎.環(huán)境規(guī)制的企業(yè)價值補償效應研究--基于不同環(huán)境規(guī)制工具的比較[J].當代經(jīng)濟,2021(11):114-119.

[9] 任兵,任小洪,徐衛(wèi)東,等.基于ARMLinux的數(shù)控機床熱誤差補償控制器的設計[J].組合機床與自動化加工技術,2012(4):25-27,31.

Study on the comprehensive error compensation technology and its application in CNC machines

ZHUO Fei

(Nanjing Pukou Secondary Professional School, Nanjing, Jiangsu 211800, China)

With the continuous improvement of China's comprehensive national strength, China's CNC machine tool technology has made rapid development and has become an important support of the machinery manufacturing industry. The operation efficiency is higher and higher for modern CNC machines, the precision of numerical control machine tools in the process of machining also put forward new requirements. When data error appeared in the operation process of a CNC machine, the application of comprehensive error compensation technology for data correction can reduce the cost of time and labor caused by frequent manual correction of CNC machine to a certain extent, which could make up for technical shortcomings well, and guarantee date precision of CNC machines.

CNC machines; error; compensation technology; practical application

GT659

A

2096–8736(2022)01–0040–04

卓飛(1988—)，男，江蘇南京人，大學本科，講師，主要研究方向為數(shù)控加工技術。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍