提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度中誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

金志剛

摘要：在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的實(shí)際操作過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楦鞣N各樣的原因形成的加工精度方面的誤差，伴隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)關(guān)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工中的各項(xiàng)技術(shù)也不斷進(jìn)步，對(duì)加工精度也提出了各種解決策略，加工精度在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的多種性能指標(biāo)當(dāng)中占有最關(guān)鍵的地位，展現(xiàn)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展水平，也是對(duì)科技發(fā)展水平和工業(yè)生產(chǎn)能力進(jìn)行衡量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。本文對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的誤差進(jìn)行了分析，具體探討了誤差補(bǔ)償法，為數(shù)控機(jī)床機(jī)械工程中提高加工精度提供借鑒和參考。

Abstract： In the actual operation process of CNC machine tool machining， there will be errors in machining accuracy due to various reasons. With the rapid development of economy and the continuous improvement of scientific and technological level， the various technologies in the machining of CNC machine tools are also constantly improving and various solutions have been proposed for the machining accuracy. The machining accuracy has the most important position among the various performance indexes of CNC machine tool machining， shows the development level of the mechanical manufacturing industry， and is one of the key indicators for measuring technology development levels and industrial production capacity. This paper analyzes the error of CNC machine tool machining， and discusses the error compensation method in detail， which provides reference for improving machining accuracy in CNC machine tool mechanical engineering.

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;機(jī)械加工;精度提升;誤差補(bǔ)償;探討分析

Key words： CNC machine tools;machining;precision improvement;error compensation;discussion and analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TG519.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）36-0237-02

0? 引言

在目前的加工制造業(yè)當(dāng)中，數(shù)控機(jī)床得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它具有機(jī)械加工效率高，加工精度高，加工柔性好等良好特點(diǎn)，如何提高加工精度是一直伴隨在數(shù)控機(jī)床發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題，下面主要針對(duì)誤差補(bǔ)償在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工中的應(yīng)用展開(kāi)分析討論。

1? 對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度的分析

第一，工藝系統(tǒng)的誤差。首先數(shù)控機(jī)床機(jī)械的部件受力點(diǎn)的位置如果發(fā)生變化，就可能會(huì)產(chǎn)生誤差，在機(jī)械加工的過(guò)程中，根據(jù)工藝系統(tǒng)切削位置的變化，受力點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化，位置不斷變換交錯(cuò)，就會(huì)不可避免的產(chǎn)生一定誤差。然后數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的受力程度發(fā)生變化也會(huì)引起誤差，零件和部件在加工過(guò)程中受力點(diǎn)不斷發(fā)生變化，因此受力點(diǎn)所受到的切削程度每時(shí)每刻都不同，進(jìn)行加工的零件在形態(tài)和材質(zhì)方面就存在差異，再加之受力點(diǎn)受到的切削程度不同，會(huì)造成工藝系統(tǒng)中的誤差。

第二，加工原理的誤差。加工誤差是數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工中最常見(jiàn)的產(chǎn)生誤差的原因，在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的過(guò)程中，傳動(dòng)比，技術(shù)參數(shù)，模具輪廓在實(shí)際操作和和理論中存在一定差別，實(shí)際加工方法總是會(huì)與理論預(yù)定的加工方法有一定差距，這就會(huì)導(dǎo)致加工原理上出現(xiàn)誤差。在實(shí)際機(jī)械加工過(guò)程中，現(xiàn)實(shí)使用的模具和理論計(jì)劃不同，比如說(shuō)刀具輪廓，在理論計(jì)劃的設(shè)定中，機(jī)械加工對(duì)刀具輪廓的使用標(biāo)準(zhǔn)要求較高，刀具的表面曲面應(yīng)該是高精度的，在實(shí)際中用于數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的刀具很難達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)使用類(lèi)似的比如直線弧線等刀具的曲面。這種替代的加工方法就會(huì)給刀具輪廓加工造成一定誤差[1]。

2? 關(guān)于誤差防止

第一，誤差防止，在尋找到誤差產(chǎn)生的原因之后，下一步對(duì)數(shù)控機(jī)床年代已久破舊的零件和部件進(jìn)行更新?lián)Q代，更換后對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，看是否重新回到正常水平，通過(guò)誤差及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中存在的問(wèn)題并研討制定解決方案。另外誤差防治誤差出現(xiàn)還能夠節(jié)省加工成本，在平衡溫度場(chǎng)，削弱數(shù)控機(jī)床熱變形，降低熱源升溫方面發(fā)揮著一定作用，但是它并不能完全保證對(duì)誤差源的控制。誤差防止法是提升數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工最從根本出發(fā)的方法，同時(shí)該方法存在一定的局限性，它受機(jī)械加工母機(jī)精度和加工成本膨脹的制約。

第二，幾何和尺寸誤差的防止，如果數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生問(wèn)題，那么每個(gè)零部件之間關(guān)于比例也會(huì)出現(xiàn)誤差。在對(duì)于誤差修復(fù)的過(guò)程中，首先要了解機(jī)床結(jié)構(gòu)的幾何尺寸特征，發(fā)現(xiàn)不足的地方當(dāng)作進(jìn)行誤差檢測(cè)的理論依據(jù)，節(jié)約維修時(shí)間。利用幾何和尺寸誤差防止方法來(lái)維護(hù)數(shù)控機(jī)床，保證機(jī)械加工過(guò)程順利進(jìn)行。很多國(guó)家花費(fèi)許多人力物力財(cái)力來(lái)控制機(jī)械加工過(guò)程中幾何和尺寸誤差，不斷研究開(kāi)發(fā)精度較高的導(dǎo)軌和主軸軸系，采取使用新型材料，開(kāi)發(fā)新工藝等手段。很多專(zhuān)家不斷加深關(guān)于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)、滑枕、床身、絲杠等有關(guān)零部件的研究，包括動(dòng)剛度、靜剛度以及拓?fù)鋬?yōu)化等方面的研究，目的是提升整臺(tái)數(shù)控機(jī)床的高精度性能，這些零部件的動(dòng)剛度、靜剛度、溫度變化對(duì)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工精度有很大影響。

第三，熱變形誤差的防止，為了避免出現(xiàn)熱變形情況，要對(duì)機(jī)械加工過(guò)程進(jìn)行溫度把控，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)溫度來(lái)針對(duì)安全隱患進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。當(dāng)加工的生產(chǎn)環(huán)節(jié)溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以利用冷循環(huán)去除一部分熱量，因此，對(duì)溫度循環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)定也非常關(guān)鍵。熱變形誤差大體是這樣產(chǎn)生的：溫度過(guò)高的部件產(chǎn)生的熱量利用輻射或者接觸面向周?chē)鷤鞑?，因此?huì)使零部件變形，從而產(chǎn)生誤差，熱變形具備多變量、強(qiáng)耦合、長(zhǎng)時(shí)滯、非線性等特點(diǎn)。關(guān)于熱變形誤差的探究比幾何誤差時(shí)間晚一些，利用把控?zé)醾鬟f路徑、降低熱源、設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等主要方式來(lái)減少熱變形誤差，經(jīng)常使用的方式：建立熱源平衡溫度場(chǎng)，創(chuàng)新數(shù)控機(jī)床的格局設(shè)計(jì)，重視潤(rùn)滑與冷卻，掌握發(fā)熱程度和熱源[2]。在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工中，假如出現(xiàn)精度下降的趨勢(shì)，就說(shuō)明會(huì)產(chǎn)生誤差，可以利用誤差補(bǔ)償法對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的各種誤差實(shí)行補(bǔ)償，來(lái)促進(jìn)對(duì)誤差的掌控。數(shù)控機(jī)床和傳統(tǒng)機(jī)床不一樣的地方是，前者是由程序控制整個(gè)加工過(guò)程的，就是人工化向自動(dòng)化完成了轉(zhuǎn)變，實(shí)行誤差補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，另外也要對(duì)程序以及數(shù)控系統(tǒng)不斷改進(jìn)，依據(jù)誤差的根本來(lái)源實(shí)行對(duì)應(yīng)的誤差補(bǔ)償法，誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)就是根據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)造一個(gè)全新的誤差，通過(guò)這個(gè)全新的誤差補(bǔ)償加工過(guò)程中出現(xiàn)的最初誤差，必須整合分析整理最初誤差的規(guī)律，建造一個(gè)與最初誤差大小一樣，方向相反的誤差補(bǔ)償模型，最終完成對(duì)誤差的補(bǔ)償。

3? 誤差補(bǔ)償法在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工中的實(shí)際應(yīng)用

誤差補(bǔ)償法在提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，對(duì)于提高數(shù)控機(jī)床加工精度的方法一方面是加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量，另一方面就是采取誤差補(bǔ)償法，誤差補(bǔ)償在大多情況下又分為上文提到的誤差防止和誤差補(bǔ)償法，下面具體分析一下誤差補(bǔ)償法在機(jī)械加工過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用。在誤差補(bǔ)償技術(shù)中常用的方法是誤差建模、誤差測(cè)量、誤差補(bǔ)償實(shí)施。

第一，硬件靜態(tài)補(bǔ)償法。硬件靜態(tài)補(bǔ)償法在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工過(guò)程中指的是增加外部的硬件結(jié)構(gòu)，利用外力使數(shù)控機(jī)床通過(guò)副位置進(jìn)行和誤差方向相反的運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)減少誤差，在對(duì)螺絲的機(jī)械加工過(guò)程中，加工的數(shù)控機(jī)床絲杠之間會(huì)產(chǎn)生誤差，利用螺距校正尺來(lái)進(jìn)行對(duì)數(shù)控機(jī)床絲杠進(jìn)行螺距，就是一種靜態(tài)補(bǔ)償法。靜態(tài)補(bǔ)償法存在一定的局限性，不可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)行補(bǔ)償，只可以在對(duì)硬件各種參數(shù)或者數(shù)值實(shí)施平衡調(diào)整時(shí)實(shí)行補(bǔ)償。硬件靜態(tài)補(bǔ)償法很少單獨(dú)使用，大多情況下與其它方法結(jié)合使用。

第二，靜態(tài)補(bǔ)償法和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法的結(jié)合使用。上文提到的靜態(tài)補(bǔ)償法，是在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工過(guò)程停止時(shí)實(shí)行誤差補(bǔ)償，因?yàn)楸旧砭哂芯窒扌运圆粫?huì)單獨(dú)使用，如果把靜態(tài)補(bǔ)償法和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法結(jié)合起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)相互的取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高促進(jìn)加工精度的效率。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法是在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程中，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的空間位置，機(jī)床的實(shí)際加工情況，加工環(huán)境的具體變化，實(shí)行參數(shù)補(bǔ)償或者補(bǔ)償量，依據(jù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況來(lái)實(shí)行反饋補(bǔ)償。比如在軸承的數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中，利用對(duì)切削程度、熱量溫度、幾何形態(tài)的掌控來(lái)實(shí)行參數(shù)補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法和靜態(tài)補(bǔ)償法相比更有用實(shí)用性，但是局限性在于投入成本較高，技術(shù)水平要求也更嚴(yán)格[3]。

第三，進(jìn)給伺服系統(tǒng)補(bǔ)償法。伺服系統(tǒng)是對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)加工坐標(biāo)軸有關(guān)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置設(shè)備。這種補(bǔ)償系統(tǒng)可以依據(jù)加工軌跡的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行正反方向的運(yùn)動(dòng)，它的加工精度最精細(xì)可以0.1微米，并且它具有及時(shí)反映、調(diào)速范圍廣闊、低速大轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。在目前數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的過(guò)程中，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要包括開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)以及半閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)，在實(shí)際的加工過(guò)程中，利用對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制減少精度誤差。

第四，修改G代碼補(bǔ)償法。G代碼是編制數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工程序的一種專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言，G代碼中對(duì)刀具的具有補(bǔ)償功能，像比如G44、G43就是對(duì)刀具長(zhǎng)度的補(bǔ)償。G代碼的補(bǔ)償原理是利用對(duì)刀具刀位信息數(shù)據(jù)的修改來(lái)補(bǔ)償原始誤差的范圍。G代碼補(bǔ)償法目前也被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的誤差補(bǔ)償當(dāng)中，比如五軸數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)哪Ｐ停罁?jù)誤差補(bǔ)償模型關(guān)于CAM軟件形成的原始刀位實(shí)行修改，用修改G代碼的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的誤差補(bǔ)償。這種修改G代碼的補(bǔ)償方法需要相關(guān)G代碼的編程工作人員對(duì)機(jī)床工件的幾何形態(tài)進(jìn)行確定，然后確立刀具軌跡的標(biāo)準(zhǔn)和加工工藝的具體過(guò)程。在數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工過(guò)程中，假如出現(xiàn)位置偏移就可以利用修改G代碼的方法實(shí)行誤差補(bǔ)償，這種補(bǔ)償法大多情況下運(yùn)用于相對(duì)簡(jiǎn)單的零部件，輪廓一般是由直線和圓弧組成的，數(shù)據(jù)也不需要太復(fù)雜的處理，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)量和工作量比較大的零部件的時(shí)候，程序員就要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助編程，對(duì)計(jì)算機(jī)的G代碼控制實(shí)行相應(yīng)修改[4]。

第五，坐標(biāo)偏置補(bǔ)償法。所謂的坐標(biāo)偏置補(bǔ)償法就是指通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)參照位置，坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移等相關(guān)情況的反饋來(lái)實(shí)行誤差補(bǔ)償。程序員或者工作者在操作過(guò)程中，可以利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)零部件加工進(jìn)行誤差校對(duì)，如果出現(xiàn)誤差，可以對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)利用數(shù)控系統(tǒng)重新設(shè)置，這種坐標(biāo)偏置補(bǔ)償法適合應(yīng)用于三軸坐標(biāo)類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工過(guò)程，對(duì)側(cè)頭的使用大多是固定側(cè)頭，再加之適當(dāng)?shù)能浖a(bǔ)償，保障穩(wěn)定的地基。

綜上所述，在數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的過(guò)程中，誤差補(bǔ)償法能夠提高加工精度，提升數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的技藝，達(dá)到數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工的高精度要求，利用誤差補(bǔ)償法來(lái)提升精度被逐漸重視。在目前發(fā)展過(guò)程中，誤差補(bǔ)償法依然存在一些問(wèn)題和不足，應(yīng)加強(qiáng)誤差補(bǔ)償法在數(shù)控機(jī)床中的創(chuàng)新和改進(jìn)，不斷完善誤差補(bǔ)償法，發(fā)揮誤差補(bǔ)償法在提高機(jī)械加工中的關(guān)鍵作用。

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