數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償方法的研究

吳海峰

[摘? ? ? ? ? ?要]? 數(shù)控機(jī)床整個(gè)的加工過(guò)程是相對(duì)復(fù)雜的，并且?guī)в幸欢ǖ牟淮_定性和非線性特點(diǎn)。目前的數(shù)控機(jī)床傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝很難滿足企業(yè)需求。在新形勢(shì)背景下，加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的分析，探討智能補(bǔ)償方法是該行業(yè)研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。主要分析數(shù)控機(jī)床常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)誤差和智能化的補(bǔ)償方法，目的是在全面了解數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)工藝的過(guò)程中，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，使得數(shù)控機(jī)床加工更能滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)控機(jī)床加工;數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng);誤差分析;智能補(bǔ)償方法

[中圖分類號(hào)]? TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? ?A ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）20-0152-02

數(shù)控機(jī)床的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，且?guī)в胁淮_定性和非線性特點(diǎn)。正是由于數(shù)控機(jī)床整個(gè)加工過(guò)程的特點(diǎn)，才導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誤差，影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差在處理時(shí)難度系數(shù)較大，如果操作人員沒(méi)有正確辨識(shí)機(jī)床誤差參數(shù)，將影響數(shù)控機(jī)床整個(gè)的生產(chǎn)精度。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的分析，探索智能化補(bǔ)償辦法是非常必要的。

一、數(shù)控機(jī)床常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)誤差

（一）幾何誤差

幾何誤差對(duì)數(shù)控機(jī)床整體來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，便于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。研究人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致幾何誤差處出現(xiàn)的原因主要如下：（1）機(jī)床原始制造中產(chǎn)生的誤差，由機(jī)床各個(gè)零部件的幾何形狀、之間的位置關(guān)系、表面質(zhì)量等引起的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差;（2）機(jī)床控制系統(tǒng)誤差;（3）機(jī)床振動(dòng)誤差;（4）檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差;（5）切削力負(fù)荷引起的誤差;（6）外界干擾造成的誤差等。其中外界干擾造成的誤差主要是周圍環(huán)境的改變和工況運(yùn)動(dòng)變化等引起的。誤差合成公式理論是解決上述誤差所依據(jù)的理論基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)床各項(xiàng)單項(xiàng)原始誤差值直接測(cè)量，之后在誤差合成公式下對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量進(jìn)行計(jì)算，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的誤差補(bǔ)償。此外，也可以借助誤差直接補(bǔ)償法，此種方法需要對(duì)機(jī)床空間矢量準(zhǔn)確測(cè)出，在對(duì)補(bǔ)償精度要求較高的情況下，對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量點(diǎn)數(shù)的要求也就越高。實(shí)際情況中要求全面掌握測(cè)量空間任意一點(diǎn)的誤差顯然是不現(xiàn)實(shí)的，此時(shí)就需要借助差值法對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合計(jì)算出來(lái)的數(shù)值修正誤差。誤差直接測(cè)量法下需要建立絕對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系下對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量展開(kāi)計(jì)算，保障數(shù)控機(jī)床加工精度。在數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償法中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是誤差的測(cè)量，只有在誤差測(cè)量的基礎(chǔ)下，才能構(gòu)建誤差模型，以此為基礎(chǔ)展開(kāi)下一步的工作。

（二）切削力誤差

切削力誤差主要是數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力引起的，在切削力的影響下機(jī)床、刀具和工件會(huì)發(fā)生變形，影響實(shí)際切削位置，導(dǎo)致切削位置出現(xiàn)移位。作用在刀具和工件上的切削力，除了讓工具和工件發(fā)生變形，還會(huì)促使工作臺(tái)、機(jī)床主軸和整個(gè)的機(jī)床發(fā)生不同程度的變形。采用切削力誤差直接測(cè)量法可以將誤差數(shù)值和切削力直接對(duì)接在一起，起到補(bǔ)償切削力誤差的目的。此外，主軸伺服電機(jī)電流受切削力的影響也會(huì)發(fā)生變化，因此可以通過(guò)檢測(cè)主軸伺服電機(jī)電流的情況來(lái)判斷切削力誤差。研究學(xué)者在切削力誤差補(bǔ)償方案中又提出了利用模糊神經(jīng)理論建立魯棒性強(qiáng)的切削力誤差綜合模型，在該模型的基礎(chǔ)上得出了切削力最后的誤差補(bǔ)償方案，該方案的實(shí)施可以極大提升數(shù)控機(jī)床加工精度。

（三）熱誤差

影響機(jī)床尺寸誤差的一個(gè)重要原因就是熱的作用。其中根據(jù)相關(guān)資料顯示，在機(jī)床尺寸誤差中60%以上都是在熱的作用下引起的熱變形導(dǎo)致的。其中避免數(shù)控機(jī)床熱誤差常采用的方式如下：（1）對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)和材料進(jìn)一步改正;（2）對(duì)數(shù)控機(jī)床中重要部件的溫度采用熱執(zhí)行裝置來(lái)控制;（3）探究熱變形和溫度分布之間的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，在軟件的輔助下預(yù)報(bào)誤差，構(gòu)建NC裝置補(bǔ)償，減輕乃至消除熱變形對(duì)機(jī)床刀具產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)階段在數(shù)控機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償方案中，常見(jiàn)的方式有兩種，一是反饋中斷補(bǔ)償法，二是原點(diǎn)平移補(bǔ)償法。前者是在構(gòu)建熱誤差模型的基礎(chǔ)上，將計(jì)算數(shù)值插入伺服系統(tǒng)中，在反饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)誤差控制。伺服電機(jī)的編碼器反饋信號(hào)是在熱誤差補(bǔ)償控制器下獲取的，此外機(jī)床的熱誤差還可以在該補(bǔ)償器下進(jìn)行計(jì)算，將熱誤差數(shù)字信號(hào)與編碼器信號(hào)相加減，以此達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)床進(jìn)給位置的目的。后者主要是在熱誤差補(bǔ)償控制器的作用下，對(duì)機(jī)床熱誤差進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算出來(lái)的數(shù)值作為補(bǔ)償信號(hào)，被送到CNC控制器。隨后在CNC控制系統(tǒng)中的平位參考點(diǎn)對(duì)熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

二、數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償方法分析

（一）機(jī)床誤差測(cè)試技術(shù)

機(jī)床誤差檢測(cè)是處理數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，機(jī)床誤差檢測(cè)技術(shù)也是確定選擇何種補(bǔ)償誤差方法的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床誤差測(cè)量過(guò)程中需要秉持相應(yīng)的原則，分別是一致性原則、簡(jiǎn)單性原則以及完備性原則。其中誤差測(cè)量和使用條件的一致性是一致性原則的主要內(nèi)容;測(cè)量整個(gè)過(guò)程要做到簡(jiǎn)單明了，方便使用是簡(jiǎn)單性原則的主要內(nèi)容;測(cè)量誤差需要根據(jù)數(shù)控機(jī)床的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而定是完備性原則的主要內(nèi)容。在數(shù)控誤差測(cè)試技術(shù)的支持下，可以初步估計(jì)誤差精度，為后期的誤差補(bǔ)償方法的確定提供有效的支持。

（二）機(jī)床誤差補(bǔ)償中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為算法的一種，帶有較強(qiáng)的先進(jìn)性，在誤差處理中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到較好的應(yīng)用效果。構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能單元較多，這些功能單元像神經(jīng)節(jié)進(jìn)行組合，在不斷組合過(guò)程中形成了整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)具有較強(qiáng)的協(xié)同能力，可以規(guī)劃和處理不同類型的運(yùn)動(dòng)誤差。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)還具有強(qiáng)大的非線性映射能力，即便是針對(duì)復(fù)雜程度較高的運(yùn)動(dòng)誤差，也可以進(jìn)行合理性的補(bǔ)償。此外，加上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)還帶有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力，兼容性和容錯(cuò)性也較強(qiáng)，可以在短時(shí)間識(shí)別并處理不確定性的誤差，由此可以避免運(yùn)動(dòng)誤差導(dǎo)致的加工精度下降問(wèn)題，將數(shù)控機(jī)床的加工精度提升，提高加工和生產(chǎn)效率。

（三）機(jī)床誤差補(bǔ)償中多體系統(tǒng)理論誤差分析

機(jī)床誤差測(cè)試技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償可以起到基礎(chǔ)性的處理作用。多體系統(tǒng)理論誤差分析與機(jī)床誤差測(cè)試技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償技術(shù)相比較，在功能上更為強(qiáng)大。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，（1）多體系統(tǒng)理論誤差分析屬于一種關(guān)聯(lián)性優(yōu)化模型，該模型是在實(shí)際的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中得出的，具有多面性的特點(diǎn)。（2）這種關(guān)聯(lián)性優(yōu)化模型可以分析和描述一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并能夠保障分析和描述的完整性、抽象性和高度概括性。關(guān)聯(lián)性優(yōu)化模型在判別、處理誤差類型和分析誤差上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。（3）數(shù)控機(jī)床中復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)可以在多體系統(tǒng)理論的支持下，構(gòu)建起最優(yōu)化的模型，利用最優(yōu)化的模型可以對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行更好的處理，能將數(shù)控機(jī)床的誤差精度和生產(chǎn)加工效率明顯提升。由此可見(jiàn)，多體系統(tǒng)理論對(duì)整個(gè)的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能化補(bǔ)償起到的作用是非常顯著的。

三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償方法

（一）CNC系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法在數(shù)控機(jī)床誤差智能補(bǔ)償中占據(jù)非常重要的地位，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法與無(wú)償補(bǔ)償相比較來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法更具優(yōu)化作用。依靠此種誤差補(bǔ)償辦法的CNC網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程中零部件誤差的檢測(cè)，判斷零部件在加工過(guò)程中的空間位置，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建最優(yōu)化的模型，對(duì)零部件加工中的空間位置進(jìn)行擬合處理。對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)床系統(tǒng)中的誤差目標(biāo)進(jìn)行確定是CNC系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的獨(dú)特之處，同樣也是最具優(yōu)勢(shì)的地方。CNC系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)技術(shù)在處理目標(biāo)向量的過(guò)程中，可以依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶功能對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練。此外，CNC系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)在運(yùn)行的過(guò)程中，不斷擬合最優(yōu)化數(shù)值，找到最佳的零部件加工精度。CNC系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識(shí)以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型的確定為起點(diǎn)，在明確工件尺寸輸入量的基礎(chǔ)下，對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理。此種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法在優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，不斷獲取最精確的工件尺寸，進(jìn)一步保障誤差精度。

（二）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償方法建模技術(shù)

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償方案中，在基本模型方法上存在較大問(wèn)題。采用牛頓法和樣條法，不僅可以有效解決傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償過(guò)程中存在的基本模型方法弊端，而且在整個(gè)的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償過(guò)程中，納入牛頓法和樣條法可以有效檢測(cè)出生產(chǎn)建模過(guò)程中存在的漏洞，合理控制并修補(bǔ)工件參數(shù)，確保數(shù)控機(jī)床的整個(gè)生產(chǎn)加工過(guò)程保持高度的精確性。我們可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法中的建模技術(shù)看成是大規(guī)模數(shù)據(jù)不斷擬合的過(guò)程。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法中的擬合過(guò)程可以對(duì)工件曲面等進(jìn)行函數(shù)逼近，確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)與精確參數(shù)無(wú)限程度的接近?？偠灾窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)在工件建模的整個(gè)過(guò)程中，可以對(duì)工件數(shù)據(jù)不斷擬合調(diào)整，保障數(shù)控機(jī)床的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程誤差精度在合理范圍內(nèi)，并滿足企業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)要求。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)在現(xiàn)代化制造行業(yè)快速發(fā)展的背景下，已經(jīng)逐漸走向成熟。各個(gè)企業(yè)對(duì)加工工件的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床加工模式已經(jīng)不能滿足企業(yè)的發(fā)展要求，需要數(shù)控機(jī)床加工行業(yè)不斷變革新的加工生產(chǎn)技術(shù)，采用最先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)，將機(jī)械加工零部件的精確程度進(jìn)一步提升。本文主要分析了數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)中最常出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)誤差，并探討了科學(xué)有效的措施來(lái)提升數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差精度，重點(diǎn)分析和研究了數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差智能補(bǔ)償方法，并提出了相應(yīng)的意見(jiàn)和建議，希望通過(guò)本文的分析可進(jìn)一步提升我國(guó)數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)效率，保障工件加工質(zhì)量，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)制造行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張虎，周云飛，唐小琦，等.基于激光干涉儀的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差識(shí)別與補(bǔ)償[J].中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（21）：1838-1841.

[2]唐笑，劉壯.數(shù)控機(jī)床空間誤差的通用補(bǔ)償建模研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2008（21）：36-39.

[3]李剛.五軸數(shù)控研拋機(jī)床誤差綜合建模及補(bǔ)償技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]任小洪，周天鵬，林健，等.數(shù)控機(jī)床熱誤差的智能補(bǔ)償方式及應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（12）：163-164.

編輯 王海文