基于修改NC數(shù)據(jù)的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)研究

于長有 張 麗

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控機(jī)床的加工精度要求越來越高，降低數(shù)控機(jī)床誤差成為提高機(jī)床加工精度的普遍方法。當(dāng)前，降低數(shù)控機(jī)床誤差的途徑有兩種，一種是數(shù)控機(jī)床誤差防止法，其實(shí)質(zhì)是提高機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造精度，減小系統(tǒng)內(nèi)外誤差，提高加工精度。該方法是解決數(shù)控機(jī)床精度問題的最理想化的方法，但實(shí)施起來十分困難，主要原因是機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，對每一個(gè)零件的加工誤差以及機(jī)床的裝配誤差都加以嚴(yán)格控制，技術(shù)上往往無法辦到或者需要巨大經(jīng)濟(jì)投入，因此，誤差防止難以得到普遍推廣；另一種是數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償法[1－2]，其實(shí)質(zhì)是依據(jù)機(jī)床誤差模型，制造一種大小相等、方向相反的新誤差抵消機(jī)床的原始誤差，提高零件加工精度。誤差補(bǔ)償法具有通用性強(qiáng)和投入費(fèi)用低的特點(diǎn)，即在達(dá)到機(jī)床一定精度要求的前提下，無需對機(jī)床進(jìn)行改造，且與數(shù)控機(jī)床誤差防止的巨額花費(fèi)相比，具有無可比擬的經(jīng)濟(jì)效益，已成為當(dāng)前解決數(shù)控機(jī)床精度問題的主要方法。

1 數(shù)控機(jī)床誤差來源

普遍認(rèn)為數(shù)控機(jī)床的誤差有以下幾方面的起因[3]：

（1）幾何誤差：又稱原始制造誤差，數(shù)控機(jī)床在制造、裝配過程中，主軸存在回轉(zhuǎn)誤差；機(jī)床導(dǎo)軌副運(yùn)動件存在直線度、平行度誤差等；機(jī)床傳動系統(tǒng)存在的傳動鏈誤差等。幾何誤差是數(shù)控機(jī)床的主要誤差。

（2）檢測反饋裝置誤差：數(shù)控機(jī)床檢測反饋裝置本身存在一定的制造誤差和算法誤差，如正余弦編碼器細(xì)分算法存在的相位誤差、幅值誤差等。

（3）工藝系統(tǒng)變形誤差：加工過程中，刀具與工件受切削力、切削熱等因素的影響，改變了二者之間原有的相對位置，使工件產(chǎn)生誤差。

（4）夾具系統(tǒng)誤差。包括夾具的重復(fù)定位誤差、受熱變形誤差及夾具磨損等。

（5）外界干擾誤差。由于運(yùn)行工況和環(huán)境變化所引起的隨機(jī)加工誤差。

（6）其他誤差。編程和操作過程發(fā)生錯(cuò)誤引起的誤差。

研究表明，不同種類的誤差占數(shù)控機(jī)床總誤差的比例不同，其中幾何誤差（20%—30%）、熱誤差（25%—35%）以及刀具誤差（10%—15%）所占比例較大[4]。

2 幾何誤差參數(shù)辨識

數(shù)控機(jī)床誤差測量方法有直接測量法、間接測量法、綜合測量法等，其中綜合測量法應(yīng)用最為廣泛。綜合測量法也稱誤差辨識法，通常采用激光干涉儀測量機(jī)床工作空間指定點(diǎn)的定位誤差，并利用數(shù)學(xué)模型對測量誤差進(jìn)行辨識求解，得到機(jī)床幾何誤差離散值。

RENISHAW激光干涉儀誤差檢定系統(tǒng)如圖1所示。該裝置基于激光干涉原理，由被檢定機(jī)床、激光頭、環(huán)境補(bǔ)償單元、測量光學(xué)鏡組、筆記本或臺式PC和打印機(jī)等組成。整個(gè)試驗(yàn)過程通過系統(tǒng)安裝、光學(xué)組鏡調(diào)整、數(shù)據(jù)采集分析、打印等主要步驟，檢測出機(jī)床的位置誤差；最終選擇性地生成符合機(jī)器性能檢測標(biāo)準(zhǔn)的分析報(bào)告，例如 ISO、ASME、VDI、JIS和 GB 分析報(bào)告。

圖1 RENISHAW激光干涉儀位移誤差測量

普通的激光干涉儀，一次安裝后只能測量一項(xiàng)誤差，22線法、15線法、14線法、9線法等數(shù)控機(jī)床的幾何誤差測量方法的運(yùn)用，大大提高了測量效率。

3 CAD/CAM軟件誤差補(bǔ)償

軟件補(bǔ)償法是常用的誤差補(bǔ)償技術(shù)之一。軟件補(bǔ)償?shù)乃悸肥歉鶕?jù)機(jī)床誤差模型，利用軟件對產(chǎn)生加工控制程序過程中的某個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行修改，即制造一種大小相等、方向相反的新誤差抵消機(jī)床的原始誤差，實(shí)質(zhì)是對控制機(jī)床運(yùn)動軸伺服電機(jī)的數(shù)控指令進(jìn)行修改，通過修改后的指令值驅(qū)動數(shù)控機(jī)床，使實(shí)際的刀具軌跡與刀具路徑吻合，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。軟件誤差補(bǔ)償基本原理如圖2所示。

圖2 軟件誤差補(bǔ)償基本原理

當(dāng)前，CAD/CAM系統(tǒng)本身的程序控制和幾何造型精度已經(jīng)達(dá)到很高的水準(zhǔn)，足以滿足零件的加工精度需求。由于機(jī)床幾何誤差的存在，要想提高加工精度，必須對系統(tǒng)生成的理想加工程序進(jìn)行修正，生成含有補(bǔ)償量的實(shí)際加工程序來驅(qū)動機(jī)床工作。CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)控程序的過程中，加工信息量逐漸增加，最終所有加工信息全部融入數(shù)控程序?？梢赃x擇程序生成過程的某一環(huán)節(jié)，在已知機(jī)床誤差補(bǔ)償量的前提下，對該環(huán)節(jié)進(jìn)行修正，即可達(dá)到提高加工精度的目的[5]。

4 修改NC數(shù)據(jù)補(bǔ)償法

基于修改CAD/CAM的軟件誤差補(bǔ)償方法通常有三種：修改CAD模型補(bǔ)償法、修改CAM模型補(bǔ)償法和修改NC數(shù)據(jù)補(bǔ)償法，前兩種方法由于受到誤差數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息和工藝參數(shù)的影響過多，應(yīng)用較少。而修改NC數(shù)據(jù)補(bǔ)償法先計(jì)算每個(gè)加工點(diǎn)的誤差數(shù)值，對NC代碼中各加工點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行修正，把補(bǔ)償后的加工點(diǎn)作為實(shí)際加工程序的數(shù)據(jù)。因?yàn)镹C數(shù)據(jù)文件中含有全部加工信息，即NC數(shù)據(jù)點(diǎn)就是切削位置點(diǎn)，有助于將誤差數(shù)據(jù)代入NC數(shù)據(jù)中加以修改生成新的數(shù)控程序，容易獲得較高的補(bǔ)償精度，具有良好的通用性和可操作性，成為目前數(shù)控機(jī)床軟件誤差補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒āＦ湓砣鐖D3所示。

圖3 修改NC模型補(bǔ)償原理圖

目前，修改數(shù)控指令常用直接計(jì)算法[6]。直接計(jì)算法是根據(jù)成形運(yùn)動模型或通過修正刀具理想路線，對理論數(shù)控指令進(jìn)行修正，生成含有誤差補(bǔ)償量的實(shí)際數(shù)控指令。該方法簡單、直接，只是需要建立精確的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出指令修正值，而數(shù)學(xué)模型可以通過數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動模型，建立刀具路線、數(shù)控指令與刀具軌跡之間的關(guān)系式，從而直接計(jì)算出實(shí)際數(shù)控指令。其直接計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 實(shí)際數(shù)控指令計(jì)算流程

修改NC數(shù)據(jù)補(bǔ)償法可以通過采用Visual C++6.0開發(fā)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法編制的軟件來實(shí)現(xiàn)仿真[7]。該軟件即可根據(jù)數(shù)控機(jī)床的誤差模型，修正用戶輸入的理想數(shù)控指令，用產(chǎn)生的新的帶有補(bǔ)償功能的實(shí)際數(shù)控程序驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動，提高加工精度。以一簡單零件（圖5）的加工為例，其原始數(shù)控指令與補(bǔ)充后數(shù)控指令如圖6所示，可見補(bǔ)償后的數(shù)控指令刀具運(yùn)動點(diǎn)大量增多，即刀具實(shí)際移動軌跡更加接近理想刀具軌跡。

圖5 加工零件圖

圖6 補(bǔ)償數(shù)控指令

應(yīng)用原始數(shù)控指令與補(bǔ)充后數(shù)控指令試切法加工零件1、2，如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償前、后的加工零件

利用三坐標(biāo)測量機(jī)對誤差補(bǔ)償前、后實(shí)際加工的三角形零件1、2、3邊直線度誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測精度如表1所示。

表1 補(bǔ)償前、后工件精度檢測比較（單位：mm）

從表1對比數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控機(jī)床在采用軟件誤差補(bǔ)償后無論單軸運(yùn)動還是雙軸聯(lián)動都較補(bǔ)償之前有明顯提高。

5 結(jié)語

基于修改NC數(shù)據(jù)的軟件誤差補(bǔ)償方法，作為一種非實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，一般用于系統(tǒng)誤差比較穩(wěn)定的場合。通常需要先測量不同誤差源產(chǎn)生的誤差分量，通過誤差模型計(jì)算出誤差補(bǔ)償量，根據(jù)已經(jīng)確定的誤差補(bǔ)償量對理論數(shù)控指令進(jìn)行修改，從而提高了數(shù)控機(jī)床的加工精度。