吳沼文 茹秋生 辛劍峰

摘 要 為了提升數(shù)控銑床的加工精度，利用球桿儀對數(shù)控銑床的圓度誤差進行了測量。根據(jù)測量的結(jié)果，針對性的對影響機床較大反向躍沖、反向間隙、伺服不匹配等誤差進行了參數(shù)補償，通過補償，該機床的圓度誤差下降了76.7%，機床的精度有了明顯的提高，取得了較理想的效果。

【關(guān)鍵詞】補償 圓度誤差 反向間隙

伴隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展，對數(shù)控機床加工精度的要求隨之日益提高。另一方面，面對日趨激烈的市場化競爭，要求企業(yè)在提高生產(chǎn)效率的同時，最大可能的降低制造成本、縮短交貨周期，同時還必須保證機床的加工精度不至于降低。

在影響機床加工精度的因素中，起決定作用的是運動精度。 如果機床運動誤差較大，復(fù)映到加工工件上，則會導(dǎo)致工件加工誤差增大。所以，檢測和補償機床的運動精度對于精密加工而言不可或缺。

1 數(shù)控銑床運動精度檢測方案的確定

1.1 精度檢測設(shè)備的確定

目前，在整個業(yè)界，通常情況下用球桿儀來檢測數(shù)控機床的動態(tài)精度特別是圓度方面的精度的。這是因為球桿儀能快速、方便、經(jīng)濟地評價和診斷CNC機床動態(tài)精度，適用于各種立臥式加工中心和數(shù)控車床等機床，具有操作簡單、攜帶方便的特點。球桿儀的工作原理是將球桿儀的兩端分別安裝在數(shù)控機床的主軸與工作臺上（或者安裝在數(shù)控車床的主軸與刀塔上），測量兩軸插補運動形成的圓形軌跡，并將這一軌跡與標(biāo)準(zhǔn)圓形軌跡進行比較，從而評價機床產(chǎn)生誤差的種類和幅值。

鑒于上述原因，決定對數(shù)控機床精度檢測采用的球桿儀測量。本次測量球桿儀為雷尼紹公司生產(chǎn)的，型號為QC20-W。

1.2 待檢測設(shè)備基本情況

待檢測設(shè)備為一臺大連機床集團公司生產(chǎn)的數(shù)控立式加工中心，型號為ZTXX-30A，該機床的控制系統(tǒng)為凱恩帝K2000MI數(shù)控系統(tǒng)，床齡四年。經(jīng)過幾年的運行，該機床的精度有一定程度的下降。

1.3 精度的檢測與補償

首先用球桿儀測量機床XY平面的精度，接著用軟件分析機床誤差發(fā)生的原因，然后根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，利用相對應(yīng)的參數(shù)分別進行補償，實現(xiàn)數(shù)控銑床綜合性能和精度的提升。

2 數(shù)控銑床初次精度的檢測及原因分析

2.1 首次精度檢測過程及結(jié)果

將球桿儀安裝在機床上，運行球桿儀軟件，將軟件自動生成的程序輸入機床中，對機床進行精度檢測，具體檢測結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，整個機床圓度誤差精度較大，達(dá)到了111.1um，其中X方向的反向躍沖對圓度誤差影響達(dá)到了40%，這是影響圓度誤差最大的因素； Y方向的反向躍沖對圓度誤差的達(dá)到了12%；X方向的反向間隙對圓度誤差影響為14%；Y方向的反向間隙對圓度誤差影響為10%；這四項因素的影響總和達(dá)到了76%。這樣的誤差是難以保證機床的加工精度的。

2.2 誤差產(chǎn)生的原因分析

2.2.1 反向躍沖產(chǎn)生誤差原因分析

當(dāng)數(shù)控機床坐標(biāo)軸向某一方向移動，之后必須向相反方向移動，由于各方面的原因在換向處機床不是平穩(wěn)反向運動而可能短時的粘性停頓。可能的原因主要有以下幾個方面：

（1）該軸驅(qū)動電機采用的扭矩不夠，造成在換向處由于摩擦力的方向發(fā)生變化而出現(xiàn)停頓；數(shù)控機床在加工零件的過程中，不可避免的會出現(xiàn)摩擦。摩擦力表現(xiàn)為相對運動速度的函數(shù)，在機床改變方向時，一般認(rèn)為會產(chǎn)生庫倫摩擦、靜摩擦、粘性摩擦的疊加而成的摩擦力。這些摩擦對數(shù)控機床的伺服控制系統(tǒng)造成了較大的影響，特別是高精度數(shù)控加工時，如果處理不好這些摩擦力，勢必很難取得理想的效果；

（2）機床在進行反向間隙補償時伺服響應(yīng)不準(zhǔn)確。這意味著機器不能準(zhǔn)時地對反向間隙施加補償，導(dǎo)致坐標(biāo)軸發(fā)生停頓現(xiàn)象，而由反向間隙帶來的停滯被取而代之；

（3）數(shù)控系統(tǒng)在伺服換向點伺服響應(yīng)不夠及時，導(dǎo)致在軸停止一個方向運動和向相反方向運動時出現(xiàn)短暫的延時。

2.2.2 反向間隙產(chǎn)生誤差原因分析

（1）在數(shù)控機床的機械驅(qū)動系統(tǒng)中可能存在間隙，這通常是由于滾珠絲杠和螺母發(fā)生磨損或補償不合理造成的；

（2）數(shù)控機床的導(dǎo)軌可能存在間隙，導(dǎo)致機床在被驅(qū)動換向時而出現(xiàn)運動的短暫卡頓；

（3）可能由于滾珠絲杠的預(yù)緊力過大而帶來的過度應(yīng)力而引起的絲杠扭轉(zhuǎn)，進一步影響了反向間隙。

2.2.3 伺服不匹配誤差原因分析

伺服不匹配一般情況下將導(dǎo)致數(shù)控機床在圓弧插補時，圓不圓。通常情況下，進給率越高造成插補的誤差越大，也就是圓的橢圓度越大。

3 數(shù)控銑床誤差補償與精度檢測

為了更加準(zhǔn)確的區(qū)分各因素對機床誤差帶來的影響，決定先對影響大的誤差進行補償，再依次對其它因素進行補償，這樣就可以更加清楚地了解不同因素的誤差對機床誤差的影響機理和程度。

3.1 摩擦補償參數(shù)生效精度的測量

基于上述考慮，考慮到K2000M數(shù)控系統(tǒng)的特點和參數(shù)定義，決定先將伺服參數(shù)PA79.2由0修改為1，這樣數(shù)控機床就具備摩擦補償功能了。有了摩擦補償功能，伺服系統(tǒng)的反向躍沖控制起來就有控制的手段了。修改該參數(shù)后，對機床進行了精度檢測，具體檢測結(jié)果如下：

圓度誤差由原來的111.1um降低至71.8um，其中X方向的反向躍沖對圓度誤差影響為35%； Y方向的反向躍沖對圓度誤差為16%；X與Y方向的反向間隙對圓度誤差影響都為12%。具體詳見圖2。

3.2 系統(tǒng)剛度參數(shù)的提升后精度的檢測

在對摩擦補償功能生效后，將系統(tǒng)剛度參數(shù)PA55由原來的2改為5，系統(tǒng)剛度的在一定范圍內(nèi)提升，能夠有效降低機床的誤差，參數(shù)修改后，對機床的誤差進行了測量。結(jié)果如圖3所示。圓度誤差由原來的71.8um降低至29.2um，其中X方向的反向躍沖對圓度誤差影響為9%； Y方向的反向躍沖對圓度誤差影響小于5%； Y方向的反向間隙對圓度誤差影響為15%。圓度誤差得到有效控制。

4 結(jié)論

通過參數(shù)的補償，機床的圓度誤差下降了76.7%，精度得到了大幅度的提升。實踐驗證球桿儀測量不僅可以較直接的測出機床的圓度方面的誤差，還能夠及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致誤差發(fā)生的原因，然后在針對性的修改參數(shù)或補償，這樣就可以用較小的成本實現(xiàn)機床精度較大幅度的提升，滿足機床高精度加工要求。

參考文獻

[1]劉強，爾聯(lián)潔等.摩擦非線性環(huán)節(jié)的特性、建模與控制補償綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002（11）：45-50.

[2]Vapnik VN.The Natural of Statistical Learning Theory[M].NEW YORK；Springer Verlag，2000.

[3]李書尋，姚郁，王子才.一種自適應(yīng)摩擦補償方法的研究[J].電機與控制學(xué)報，1999，3（03）：129-134.

作者單位

上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院 上海市 200437