蔣薇，陳本鋒

（成都市技師學(xué)院，四川成都611731）

數(shù)控機(jī)床的位置誤差及補(bǔ)償方法探析

蔣薇，陳本鋒

（成都市技師學(xué)院，四川成都611731）

為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，行業(yè)和企業(yè)技術(shù)人員嘗試用誤差補(bǔ)償技術(shù)代替單純的提高機(jī)床的零部件精度和裝配質(zhì)量。通過軟件誤差補(bǔ)償技術(shù)提高數(shù)控車床滾珠絲杠的反向間隙精度，改善了機(jī)床的加工條件，提高了零件的加工精度，起到了預(yù)期的效果，適合在中小型企業(yè)推廣應(yīng)用。

數(shù)控機(jī)床；位置誤差；補(bǔ)償；探析

提高數(shù)控機(jī)床加工精度的方法有很多，包括合理選擇刀具材料和幾何參數(shù)，合理控制切削環(huán)境和系統(tǒng)誤差等等。近年來，僅依靠通過提高機(jī)床零部件的質(zhì)量精度、降低應(yīng)力變形的影響來減小機(jī)床加工誤差和提高機(jī)床使用壽命，在技術(shù)層面上變得越來越困難，在經(jīng)濟(jì)層面上變得越來越難以承受［1］，誤差補(bǔ)償技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野。

在機(jī)床誤差補(bǔ)償分類中，研究者一般傾向于將誤差的補(bǔ)償分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩個(gè)方面。實(shí)際操作中，數(shù)控機(jī)床加工受到諸多因素的影響，靠單一的精度控制方法不能或很難保證數(shù)控機(jī)床的加工精度［2］。本文針對(duì)數(shù)控加工中機(jī)床的誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究，以期對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的操作者在實(shí)習(xí)生產(chǎn)中提供有價(jià)值的參考。

1　數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償研究的現(xiàn)狀

目前，誤差補(bǔ)償技術(shù)需要解決的主要問題是對(duì)誤差源的辨識(shí)和對(duì)誤差的有效補(bǔ)償。雖然誤差補(bǔ)償?shù)母拍钜呀?jīng)逐漸被大家熟悉，但是應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)的卻很少。誤差補(bǔ)償?shù)难芯楷F(xiàn)狀如下：

（1）誤差源研究越來越精細(xì)化

目前，誤差補(bǔ)償技術(shù)需要解決的主要問題是對(duì)誤差源的辨識(shí)和對(duì)誤差的有效補(bǔ)償。影響數(shù)控機(jī)床加工精度的因素有很多，已經(jīng)被大家熟知并分類的包括安裝誤差、熱誤差等，逐漸被提出的有空間誤差、高頻誤差等［3］。隨著研究的深入，研究者們對(duì)誤差源的分類也越來越精細(xì)化，對(duì)某一具體的單項(xiàng)誤差進(jìn)行檢測和補(bǔ)償，成為提高數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償效果的一種趨勢。

（2）誤差補(bǔ)償越來越動(dòng)態(tài)化

在加工過程中，機(jī)床與刀具、工件處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，這樣所研究的誤差就不止是靜態(tài)誤差，而是動(dòng)態(tài)誤差和誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)。提升機(jī)械自動(dòng)化水平，除了靜態(tài)補(bǔ)償，今后的發(fā)展方向是開展動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)誤差的控制研究。

（3）誤差補(bǔ)償理論尚未應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐

近年來，國內(nèi)關(guān)于數(shù)控機(jī)床誤差理論分析和補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究會(huì)越來越多。最近幾年，國家更是把支持?jǐn)?shù)控機(jī)床誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究上升到科技戰(zhàn)略的層面。但判斷并準(zhǔn)確的計(jì)算誤差需要經(jīng)驗(yàn)，需要借助精密的測量儀器，更需要采用正確的補(bǔ)償方法和開發(fā)適合的補(bǔ)償系統(tǒng)，這些都需要科研工作者們不斷的研究、開發(fā)、完善。所以到今天誤差補(bǔ)償理論尚未大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

2　數(shù)控機(jī)床位置誤差的補(bǔ)償

誤差補(bǔ)償?shù)幕舅枷刖褪峭ㄟ^將誤差值輸入系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償或改進(jìn)機(jī)械設(shè)備減少加工后零件的尺寸和形位誤差。數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償有硬件誤差補(bǔ)償與軟件誤差補(bǔ)償兩種基本方法，軟件補(bǔ)償與硬件補(bǔ)償?shù)膮^(qū)分是看補(bǔ)償信息是由系統(tǒng)軟件還是由機(jī)床硬件產(chǎn)生的。

2.1硬件誤差補(bǔ)償

硬件誤差補(bǔ)償是通過提高零部件的制造精度和調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)上的靠模、凸輪、預(yù)緊螺母、緊固螺栓、軸承間隙等進(jìn)行補(bǔ)償。這種方法會(huì)增加機(jī)床的制造成本，在機(jī)床裝配完成后難以適時(shí)調(diào)整補(bǔ)償值，隨著機(jī)床使用時(shí)間的增加和硬件設(shè)備的磨損，補(bǔ)償效果會(huì)逐步下降，使用條件受到一定的限制。

2.2軟件誤差補(bǔ)償

軟件誤差補(bǔ)償是在已知或已測得反向間隙數(shù)值的情況下，通過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)里參數(shù)表中的補(bǔ)償值，來抵消加工過程中機(jī)床系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差值。軟件誤差補(bǔ)償通用性好，操作也不復(fù)雜，既可進(jìn)行單段誤差補(bǔ)償，也可實(shí)現(xiàn)平均誤差補(bǔ)償。比如，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)量是由檢測裝置以脈沖計(jì)數(shù)方式反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與原來的發(fā)出指令脈沖數(shù)進(jìn)行比較，并進(jìn)行相應(yīng)的行止。軟件補(bǔ)償有較高的功態(tài)性能、補(bǔ)償值可隨工作狀態(tài)的而即時(shí)變化，可通過計(jì)算機(jī)對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算后產(chǎn)生，并且經(jīng)濟(jì)性較好。由此可見，軟件誤差補(bǔ)償已經(jīng)成為現(xiàn)代補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的方向。

2.4軟件誤差補(bǔ)償實(shí)例

激光干涉儀具有自動(dòng)線性誤差補(bǔ)償功能，可以對(duì)位置精度進(jìn)行檢測及自動(dòng)補(bǔ)償、對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能檢測。本例用ML10激光干涉儀系統(tǒng)可自動(dòng)測量和補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的反向間隙。

2.4.1目標(biāo)設(shè)定參數(shù)設(shè)置

設(shè)置步長為5 mm，起點(diǎn)坐標(biāo)為0，終點(diǎn)坐標(biāo)為100，往復(fù)行程共自動(dòng)測量21次。如圖1所示。

圖1　目標(biāo)設(shè)定參數(shù)界面

2.4.2設(shè)置誤差補(bǔ)償參數(shù)值。

設(shè)定步距為10 mm（即每運(yùn)行10 mm測量1次），每次停頓4 s記錄數(shù)據(jù)，一共測量10次，共運(yùn)行100 mm.

2.4.3編寫測量程序

根據(jù)機(jī)床加工精度要求，在滾珠絲杠有效行程范圍順序定位若干采樣點(diǎn)。

2.4.4采集測量數(shù)據(jù)

采用增量值補(bǔ)償類型，記錄各采樣處的誤差補(bǔ)償值，形成在不同指令位置處的帶后沖值綜合誤差表，如表1所示。

表1　帶后沖值綜合圖表參數(shù)值

2.4.5分析測量結(jié)果

將打開控制面板的參數(shù)設(shè)置，翻頁進(jìn)入“軸間補(bǔ)量”的Z軸補(bǔ)償界面，將用激光干涉儀測得的反向間隙平均值（已知激光干涉儀測量間隙值為41μm）輸入到Z軸的反向間隙補(bǔ)償位置。用補(bǔ)償后的機(jī)床加工零件，加工精度顯著提高。

3　誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用比較

除了上述的激光干涉儀補(bǔ)償反向間隙，還可以使用機(jī)械調(diào)整、程序補(bǔ)償?shù)确椒ㄑa(bǔ)償機(jī)床的反向間隙誤差。在同等試驗(yàn)條件下，分別用這三種方法進(jìn)行補(bǔ)償，得到的結(jié)果略有不同。

根據(jù)幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較及對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的分析研究，歸納出了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床加工不同精度的零件時(shí)選擇的反向間隙測量方法及間隙補(bǔ)償方法，如表2所示。

表2　不同類型的數(shù)控車床反向間隙誤差的控制方法選擇參照表

綜上所述，反向間隙誤差補(bǔ)償是數(shù)控機(jī)床控制零件加工精度的一個(gè)重要途徑，特別是對(duì)加工封閉曲線有實(shí)際意義，實(shí)際加工中需要對(duì)數(shù)控車床各坐標(biāo)軸的反向間隙進(jìn)行檢測和補(bǔ)償。研究表明，在加工封閉曲線時(shí)，采用誤差補(bǔ)償技術(shù)與不用任何補(bǔ)償技術(shù)相比可將加工的曲線誤差減少75%～90%.

機(jī)械調(diào)整法補(bǔ)償反向間隙不影響加工程序的編寫，在一定范圍內(nèi)具有一定的補(bǔ)償效果，但局限性較大，操作要求高，不能定量補(bǔ)償。數(shù)控程序補(bǔ)償法效果較好，特別是對(duì)沒有補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)具有較大的實(shí)際作用，但這種方法增加了數(shù)控編程的復(fù)雜性，對(duì)操作人員的編程能力和加工工藝制定有較高要求［4］。系統(tǒng)補(bǔ)償法先測量反向間隙，再通過科學(xué)的計(jì)算得出需要補(bǔ)償?shù)拈g隙值，最后輸入數(shù)控坐標(biāo)補(bǔ)償系統(tǒng)，是目前半封閉式數(shù)控車床滾珠絲杠的反向間隙控制相對(duì)優(yōu)化的補(bǔ)償方案。

4　誤差補(bǔ)償?shù)囊饬x

誤差的控制和補(bǔ)償是降低數(shù)控機(jī)床加工誤差的有效途徑?？刂剖峭ㄟ^機(jī)械部分的調(diào)整、工藝過程的優(yōu)化、加工環(huán)境的改善等達(dá)到降低加工誤差的目的。補(bǔ)償是在測得機(jī)床誤差的情況下，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、反向間隙數(shù)值等達(dá)到平衡和抵消系統(tǒng)誤差的目的。其中尤以誤差補(bǔ)償更為行業(yè)和企業(yè)所接收，誤差補(bǔ)償靈活性大，簡單易行，經(jīng)濟(jì)效益顯著，適合在企業(yè)推廣應(yīng)用。

［1］魏杰.數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［2］馮劍.機(jī)械加工精度誤差成因分析及其對(duì)策研究［J］.電子制作，2013，（14）：38.

［3］呂崇明.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.北京:中國勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社，2011.3.

［4］張變霞.數(shù)控機(jī)床精度及誤差補(bǔ)償技術(shù)［D］.杭州：中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，2008.

Analysis of Position Error and Compensation Method of NC Machine Tool

JIANGWei，CHEN Ben-feng
（Chengdu Technician College，Chengdu 611731，China）

In order to improve themachining precision of CNCmachine tools，the industry and enterprise technical engineers to try to use error compensation technology instead of improving the accuracy of machine parts and assembly quality.By using the software error compensation to improve the precision of the reverse clearance of the ball screw in NC lathe，the processing conditions are improved，the processing precision is improved，and the expected effect is played，which is suitable for the application in themedium and small enterprises.

CNCmachine tools；position error；compensation；analysis

TG659

B

1672-545X（2016）05-0224-03

2016-02-07

蔣薇（1966-），女，四川成都人，本科，講師，研究方向：機(jī)械制造技術(shù)檢測方向。