數(shù)控立式加工中心誤差檢測及補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

郭聰聰，王傳洋

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215006）

近年來飛速發(fā)展的數(shù)控技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用普及，數(shù)控機(jī)床的精密程度是衡量一個國家工業(yè)化進(jìn)程水平高低的重要指標(biāo)。高速發(fā)展的數(shù)控技術(shù)已經(jīng)集成了計算機(jī)算法、微電子電路、自動測量分析、自動反饋數(shù)據(jù)、自動化控制、信息化處理、等高新科技技術(shù)，擁有柔性化生產(chǎn)高、生產(chǎn)效率高、加工精度高、自動化程度高等特點，為實現(xiàn)工業(yè)4.0智能制造擔(dān)負(fù)著至關(guān)重要的作用，所以世界各大機(jī)床廠家對數(shù)控機(jī)床的各項精度研究越發(fā)深入[1]。

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，各行業(yè)對加工零件的精度要求不斷提高，進(jìn)而對數(shù)控各種加工設(shè)備精度要求也越來越高，作為數(shù)控機(jī)床中最重要的成員之一，數(shù)控立式加工中心由于零件制造、安裝工藝、使用磨損等原因，每臺機(jī)器都不可避免一些誤差現(xiàn)象存在。而這些誤差對于機(jī)器的各項精度有著嚴(yán)重的影響，所以各個設(shè)備生產(chǎn)廠家對數(shù)控立式加工中心的誤差分析也在逐步的深入。

1 數(shù)控立式加工中心的誤差分析

為滿足新的市場需求，很多新型的數(shù)控立式加工中心產(chǎn)品被研發(fā)生產(chǎn)出來，由于零件精度的不斷提高，市場對數(shù)控立式加工中心的精度要求及可靠性也是不斷提升，如何提高數(shù)控立式加工中心的精度與可靠性已經(jīng)成為各大設(shè)備生產(chǎn)廠家追求的目標(biāo)，所以怎樣有效快速地解決數(shù)控立式加工中心的誤差問題迫在眉睫。

通常數(shù)控立式加工中心的重要組成部分為床身、鞍座、立柱、主軸、工作臺等，各個部件通過線軌和螺桿進(jìn)行結(jié)合組成。在部件結(jié)合時每個部件之間都會有誤差產(chǎn)生，部件之間的誤差又表現(xiàn)在以下方面：

（1）數(shù)控立式加工中心的零件在加工制造中存在精度誤差，會導(dǎo)致在裝配安裝過程中出現(xiàn)零件尺寸累計誤差及裝配安裝累計誤差；

（2）由于數(shù)控立式加工中心鑄件本身剛性不足導(dǎo)致在外力作用下的振動誤差；

（3）數(shù)控立式加工中心伺服系統(tǒng)各個伺服軸的剛性，包含螺桿背隙誤差；

（4）數(shù)控立式加工中心使用后由于溫升導(dǎo)致的熱變形誤差；

（5）數(shù)控系統(tǒng)本身插補(bǔ)的算法誤差；

（6）其他外部環(huán)境影響的誤差及測量誤差；

總體來說幾何誤差與熱變形誤差是數(shù)控立式加工中心誤差最主要的2個來源。

2 數(shù)控機(jī)床誤差檢測

當(dāng)前數(shù)控立式加工中心測量誤差的方法主要分兩個部分：

單項誤差直接測量法 應(yīng)用相應(yīng)檢測設(shè)備直接檢測各種誤差得到分離誤差參數(shù)。

綜合誤差測量參數(shù)辨識法 測量機(jī)器設(shè)備的工作區(qū)內(nèi)的指定點的定位誤差，通過數(shù)字模型分析和辨識測量點的綜合誤差，用間接的方式得到機(jī)器設(shè)備各種誤差的離散值[2-3]。

傳統(tǒng)檢測的方法精度不高且效率比較低，自動測量實現(xiàn)起來也比較困難，并且需要的儀器設(shè)備比較多，如今比較領(lǐng)先的檢測方法如表1所示[2]。

本文中使用測量精度高、操作較為簡單的雷尼紹鐳射儀測量機(jī)床的線性定位誤差。實測圖如圖1所示，雷尼紹鐳射儀使用原理如圖2所示。圖1中所示鐳射儀型號是ML-10，測量精度為0.001 μm。根據(jù)國標(biāo)GB/T17421.2-2000，測得機(jī)床X、Y、Z軸的定位精度與重復(fù)精度如表2所示。

表1 領(lǐng)先的檢測方法Tab.1 Leading detection methods

表2 測得機(jī)床X、Y、Z軸的定位精度與重復(fù)精度Tab.2 Measurement accuracy and repeatability of X，Y and Z axes of machine tools

圖1 機(jī)床線性誤差實測圖Fig.1 Measurement of linear error of machine tool

圖2 雷尼紹鐳射儀使用原理Fig.2 Schematic diagram of laser monitor

3 數(shù)控立式加工中心誤差補(bǔ)償

數(shù)控立式加工中心幾何誤差—線性定位誤差，主要包含2個誤差：螺桿螺距誤差及螺桿反向間隙誤差即背隙。所以數(shù)控立式加工中心的幾何誤差補(bǔ)償，主要是螺桿螺距及螺桿背隙補(bǔ)償[5]。通過鐳射儀檢測數(shù)控立式加工中心線性定位誤差后，本文采用了西門子828D數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控立式加工中心螺桿螺距和螺桿背隙進(jìn)行了有效補(bǔ)償。

3.1 螺距補(bǔ)償

本文中所述的數(shù)控立式加工中心螺桿螺距補(bǔ)償，就是針對機(jī)器各坐標(biāo)軸間的補(bǔ)償，進(jìn)行補(bǔ)償并修改坐標(biāo)軸實際的位置值時要依照與此相對應(yīng)的補(bǔ)償數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，數(shù)控立式加工中心坐標(biāo)軸將直接運行此補(bǔ)償值。若補(bǔ)償值是正側(cè)坐標(biāo)軸往負(fù)方向運動。由于補(bǔ)償值受不到監(jiān)視也沒有上下極限值，為規(guī)避因為人為過度補(bǔ)償引起坐標(biāo)軸加速度或者速度高出設(shè)定值出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，則應(yīng)采用較小補(bǔ)償值。反之若選補(bǔ)償值過大，則軸會報警（例：極限值，輪廓監(jiān)控）嚴(yán)重的還會出現(xiàn)機(jī)床軸的沖擊或撞擊現(xiàn)象。機(jī)床X軸螺桿螺距補(bǔ)償前后所測精度如圖3、圖4所示。

圖3 X軸絲桿螺距補(bǔ)償前所測精度Fig.3 Precision before X pitch screw compensation

圖4 X軸螺桿螺距補(bǔ)償后所測精度Fig.4 Accuracy of X axis screw pitch compensation

3.2 螺桿背隙補(bǔ)償

數(shù)控立式加工中心工作時，其系統(tǒng)驅(qū)動各部件運動過程中螺桿的運動副之間會留有較小的間隙，這就是螺桿的背隙，由于一般數(shù)控立式加工中心都采用半閉環(huán)檢測系統(tǒng)，半閉環(huán)檢測系統(tǒng)的主軸與進(jìn)給軸在運行時會因為存在背隙而致使位移量出錯。從圖3、圖4 X軸絲桿螺距補(bǔ)償前后所測精度兩圖中能夠發(fā)現(xiàn)：

（1）若背隙為正時，則編碼器檢測位置比部件實際位移要快，以工作臺為例，反應(yīng)到工作臺上實際就少移動了這個背隙值，這時把這個背隙設(shè)定為正補(bǔ)償值，則工作臺的位置就可以到達(dá)設(shè)定位置值。

（2）若背隙為負(fù)時，則編碼器檢測位置比部件實際位移要慢，以工作臺為例，反應(yīng)到工作臺上實際就多移動了這個背隙值，這時把這個背隙設(shè)定為負(fù)補(bǔ)償值。

3.3 控制系統(tǒng)補(bǔ)償

數(shù)控立式加工中心控制系統(tǒng)補(bǔ)償原理流程如圖5所示。一、輸入幾何變量及熱誤差數(shù)學(xué)模型等初始化工作；二、采集位移量值；三、依據(jù)數(shù)學(xué)模型計算幾何誤差的位移量值獲得補(bǔ)償值；四、發(fā)送補(bǔ)償值到CNC控制器，然后重回第二步循環(huán)執(zhí)行，以此循環(huán)對數(shù)控立式加工中心的誤差不斷的進(jìn)行計算與補(bǔ)償[6]。

圖5 系統(tǒng)補(bǔ)償控制原理流程Fig.5 Flow chart of system compensation control

在補(bǔ)償進(jìn)行過程中，CNC控制器接收到幾何誤差的補(bǔ)償值后，CNC控制器的PMAC控制卡讀入數(shù)據(jù)，根據(jù)補(bǔ)償值針對事先輸入CNC控制器的加工程序的刀具坐標(biāo)值實行修正，使得幾何誤差得到補(bǔ)償。幾何誤差補(bǔ)償線程在加工開始后即將會被開啟，每隔1 min讀取此位移值，根據(jù)讀取的位移值調(diào)用函數(shù)計算出熱誤差，然后更新PMAC控制卡內(nèi)的誤差，以此實現(xiàn)了幾何誤差實時的補(bǔ)償[7]，圖6所示為程序補(bǔ)償主軸循圓精度。

圖6 程序補(bǔ)償主軸循圓精度Fig.6 Roundness accuracy of program compensation spindle

3.4 補(bǔ)償效果

數(shù)控立式加工中心在進(jìn)行了螺桿螺距、螺桿間隙補(bǔ)償及系統(tǒng)補(bǔ)償后各軸精度均得到較大改善，補(bǔ)償前后各軸精度對比如表3所示。

表3 補(bǔ)償前后各軸精度對比Tab.3 Comparison of accuracy of each axis before and after compensation

4 結(jié)語

本文使用ML-10鐳射儀及球桿儀實現(xiàn)了數(shù)控立式加工中心線性定位誤差與系統(tǒng)熱誤差的測量。通過補(bǔ)償數(shù)控立式加工中心螺桿螺距和螺桿背隙誤差，實現(xiàn)了數(shù)控立式加工中心線性定位誤差的修正補(bǔ)償。并通過使用CNC控制器的PMAC控制卡對系統(tǒng)編程代碼指令實施優(yōu)化修改，實現(xiàn)了數(shù)控立式加工中心幾何誤差的測量分析及補(bǔ)償[8]。分析及補(bǔ)償后發(fā)現(xiàn)數(shù)控立式加工中心加工整體精度得到顯著提升，補(bǔ)償?shù)男Ч^為明顯。本文中運用的誤差測量及誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ跀?shù)控立式加工中心精度探索中具有通用性與廣泛性，對更深層次提升數(shù)控立式加工中心的精度跟性能起到重要的深層的研究意義。