數(shù)控銑床誤差補(bǔ)償及定位精度測(cè)量研究

劉 瑋

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)

因?yàn)槎喾N誤差源的出現(xiàn)，都會(huì)降低數(shù)控機(jī)床的精度，為保證加工精度符合要求，往往會(huì)通過(guò)新誤差來(lái)抵消之前的誤差，對(duì)于機(jī)床結(jié)構(gòu)的升級(jí)改善來(lái)說(shuō)，此方法較為實(shí)用且經(jīng)濟(jì)。誤差補(bǔ)償技術(shù)包括硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。硬件補(bǔ)償通常是在機(jī)床上外接誤差補(bǔ)償器或者是提升零件制造精度來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果，具有成本費(fèi)用過(guò)高、推廣難度大等問(wèn)題，而且如果數(shù)控系統(tǒng)不同，需要配備的誤差補(bǔ)償器的電路也不同，安裝以及調(diào)試過(guò)程繁雜，適用性不高。相對(duì)硬件補(bǔ)償，軟件補(bǔ)償是通過(guò)數(shù)控加工指令的調(diào)整來(lái)進(jìn)行的，對(duì)之前的加工運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?，此方式不?huì)改變數(shù)控機(jī)床的機(jī)械設(shè)備，僅僅調(diào)整計(jì)算機(jī)程序就可以實(shí)現(xiàn)，相對(duì)方便和簡(jiǎn)單，具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)控銑床定位誤差檢測(cè)與定量分析

所謂數(shù)控銑床定位誤差，指的是在制造以及裝備銑床傳動(dòng)設(shè)備過(guò)程中出現(xiàn)的誤差導(dǎo)致的銑床運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，誤差會(huì)影響加工零件原本的精度。分析并歸類定位誤差，可以較為直觀的總結(jié)影響各種誤差的最關(guān)鍵的因素。本文主要從重復(fù)定位誤差、位移誤差以及反向間隙等層面來(lái)對(duì)定位誤差情況進(jìn)行討論。

2.1 數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)

本文主要以某機(jī)床廠的MvcBSOB 型三軸立式數(shù)控銑床為分析對(duì)象。MvcBSOB 型銑床使用的操作系統(tǒng)為FANUC Series Oi Mate-MODEL D，相關(guān)的參數(shù)包括：工作臺(tái)面的長(zhǎng)與寬是l050mmx500mm，主軸箱在Z 軸行程是550mm，工作臺(tái)在X 軸的行程是800mm，主軸中心距離立柱導(dǎo)軌面550mm，滑臺(tái)在Y 軸的行程是500mm，工作臺(tái)面距離主軸端面是105mm～655mm，切削給進(jìn)速度最大是10000mm/分，快速給進(jìn)速度最大值是X 軸-16m/分、Y 軸-米/分、Z 軸12m/分。如下圖是給進(jìn)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MVC850B 型號(hào)機(jī)床給進(jìn)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)控銑床的定位誤差測(cè)量

對(duì)MVC850B 出現(xiàn)的定位誤差進(jìn)行測(cè)量，一般測(cè)量起點(diǎn)是零點(diǎn)，對(duì)X 軸和Y 軸兩個(gè)方向的行程中的線性定位誤差展開(kāi)測(cè)量。第一，在電腦測(cè)量軟件中對(duì)相關(guān)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確定目標(biāo)位置，Y 軸（0mm～500mm）或者是X 軸（0mm～800mm），間距選擇為50mm，進(jìn)行等距測(cè)量。第二，按照機(jī)床運(yùn)行程序，來(lái)在計(jì)算機(jī)上選擇相關(guān)的測(cè)量參數(shù)，通常為雙向測(cè)量+線性定位方法，其中過(guò)沖量和暫停周期的參數(shù)，都是機(jī)床程序中參數(shù)值的0.5 倍。

2.3 數(shù)控銑床定位誤差分析

為對(duì)驗(yàn)證誤差展開(kāi)分析，應(yīng)該對(duì)銑床使用后的定位誤差變化進(jìn)行對(duì)比和討論。本文所用的MVC850B 型數(shù)控銑床，在一開(kāi)始的定位誤差測(cè)量時(shí)，因?yàn)闄C(jī)床比較新，無(wú)太大的磨。在該機(jī)床持續(xù)使用一年以后，再次對(duì)其定位誤差展開(kāi)測(cè)量，對(duì)比結(jié)果如下圖所示。圖中的N-r 以及N-f 代表使用1 年后機(jī)床的反向和正向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)誤差，而B(niǎo)-r 以及B-f 代表未使用前的反向和正向誤差。

按照測(cè)量結(jié)果，如果定位誤差大于零，說(shuō)明實(shí)際值高于理論值，如果定位誤差小于零，說(shuō)明實(shí)際值低于理論值。分析上圖2/3 的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一年以后，不管是X 軸還是Y 軸，都不體現(xiàn)周期規(guī)律，而是以線性規(guī)律為主。由此可見(jiàn)，在使用銑床過(guò)程中，導(dǎo)軌受到了磨損，導(dǎo)致導(dǎo)軌存在的周期性誤差不再有，是的直線度誤差增加，作用到機(jī)床自身的定位誤差上，導(dǎo)致機(jī)床定位誤差增加。

圖3 MVC850B 型數(shù)控銑床一年前后Y 軸方向誤差對(duì)比

3 數(shù)控銑床定位誤差補(bǔ)償試驗(yàn)

測(cè)量結(jié)果是否貼合實(shí)際，決定著是否能科學(xué)補(bǔ)償定位誤差，另外，數(shù)據(jù)樣本的可靠度也影響著誤差補(bǔ)償?shù)木群托省１疚脑谇懊鎸?duì)定位誤差因素、誤差測(cè)量以及測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析，為后續(xù)定位精度的提升、加工誤差的降低奠定了一定的基礎(chǔ)。本次將在前面定位誤差分析、測(cè)量以及結(jié)果討論的前提下，探討一種以坐標(biāo)系偏移為基礎(chǔ)的誤差補(bǔ)償綜合方法，重點(diǎn)對(duì)與定位誤差和反向誤差展開(kāi)補(bǔ)償，最終來(lái)盡可能保證機(jī)床的定位精度。

反向間隙補(bǔ)償思路。反向間隙一般在不同運(yùn)動(dòng)軸上，軸與軸互相間無(wú)太大影響，如果軸自身的運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)變化，就會(huì)有反向間隙。因?yàn)榱慵b備方法不同和不同位置的絲桿磨損差異，不同位置的反向間隙也有所不同，因此應(yīng)該講機(jī)床各個(gè)軸的行程分段。

X 軸和Y 軸平面中刀具編程的運(yùn)動(dòng)軌跡，理論上是從P0 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P5 點(diǎn)，因?yàn)椴煌S的反向間隙互不影響，因此假設(shè)只有X 軸的運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)變化，Y 軸運(yùn)動(dòng)方向不變。如果x 軸上i 點(diǎn)的位置為xi，那么xi的反向間隙值為δ(xi)。刀具編程在理論上的運(yùn)動(dòng)軌 跡 方 向 是：M0 →M1 →M2 →M3 →M4 →M5。因?yàn)榉聪蜷g隙作用， 實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是：M0 →M1 →M2 →M'2 →M'3 →M'4 →M'4n →M5。進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償以后， 路徑又變成了：M0 →M1 →M2c →M3c →M4c →M4 →M5，如此一來(lái)，就能夠還原到理論運(yùn)動(dòng)軌跡上，實(shí)現(xiàn)了間隙補(bǔ)償。

圖4 反向間隙補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)軌跡演示

按照上圖所演示的，加工過(guò)程中，銑床軸的運(yùn)動(dòng)包括下面四種不同情況：

第 一 種：xi+1＞=xi，并 且xi＜=xi-1，運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 為M3 →M4 →M5

第 二 種：xi+1＞=xi，并 且xi＞=xi-1，運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 為M0 →M1 →M2

第 三 種：xi+1＜=xi，并 且xi＜=xi-1，運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 為M2 →M3 →M4

第 四 種：xi+1＜=xi，并 且xi＞=xi-1，運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 為M1 →M2 →M3

如果在X 軸方向上的某一點(diǎn)i 上，銑床運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)變化，反向間隙是δ(xi)，就會(huì)發(fā)生第一種和第四種方向，然后展開(kāi)反向誤差的補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

討論分析數(shù)控銑床定位誤差補(bǔ)償以及測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確性，能夠保證定位誤差的有效補(bǔ)償，然而因?yàn)闇y(cè)量?jī)x器等相關(guān)條件有限，本文只研究了靜態(tài)情況下的補(bǔ)償和檢測(cè)。未來(lái)數(shù)控銑床勢(shì)必會(huì)更高水平、高效能發(fā)展，需更深入分析并探討誤差補(bǔ)償技術(shù)，研究出可以以誤差測(cè)量數(shù)值為前提，進(jìn)行數(shù)控指令直接調(diào)整的誤差補(bǔ)償程序，從而促使數(shù)控銑床的作業(yè)效率、精準(zhǔn)度更高，更符合要求。