數控磨床軸運動定位誤差補償技術

何紅蓮

作者通聯：武鋼股份公司條材總廠CSP 分廠專檢二站 武漢市青山區廠前街 430080

E-mail：honglianhe@sina.com

一、建立軋輥輥形數學模型

武鋼CSP 磨輥車間引進四臺意大利POMINI 軋輥磨床，其對CVC+輥形凸度控制是實現軋機對CVC+板形凸度控制的前提條件。參考F1-F4 上下精軋工作輥的數學模型（圖1），曲線方程式是五次冪的多項式。圖2中上下交叉不規則的曲線是軋輥的實際曲線，上下兩條虛線是誤差公差帶，當實際曲線在公差帶范圍內，輥形精度指標達標。

二、建立軋輥的磨削模型

基于建模、仿真、預測和控制設計思想理論，磨床CNC 系統根據實測和理想輥形的軌跡誤差對比(圖3■標記線)，通過內插補運算器的數字運算，生成軋輥的計算磨削模型（圖4■標記線），定義加工過程中每點的位置、速度和終點位置，在下趟次磨削過程中，向軸的伺服運動控制器分配脈沖，控制多軸的聯動加工量，伺服的自跟隨軌跡測量系統形成半閉環，磨床在線測量系統的同步檢測，形成磨床的閉環測量，隨著磨削運動軌跡中各點的新差異被不斷刷新，實時更新位置和速度去控制傳動驅動，使磨床按照計算的軌跡模型運動切削，達到輪廓控制的目的。

在生產中，實際的磨削輥形往往與計算的輥形有方向上的位移量，即磨床測量點與設計的計算加工量與實際的加工點不統一，磨削和測量控制不是“同步”而是“異步”，輥形精度指標不合格見圖3中▲標記線。

圖1 軋輥數學模型

圖2 軋輥實際模型

圖3 磨削模型（采集9個點）

圖4 輥形誤差（采集9個點）

三、軋輥輥形誤差原因分析及補償

1.軋輥輥形誤差原因分析

首先排除砂輪切削刃分布的隨機性，操作工分配磨削參數及操作技能的動態影響等因素外，磨床設備自身機械部件的幾何誤差，各直線運動伺服軸跟隨誤差，主軸的旋轉度誤差，多軸聯動的定位誤差，測量裝置誤差，軋輥工裝誤差，運動誤差等動態因素造成誤差偏差過大，大于系統接受的補償值時，即使長時間的補償磨削，難以實現理想輪廓控制，一一分離各種形式的誤差，其中多軸聯動的定位誤差是輥形誤差的主要部分。

2.軋輥的精度誤差對板材產品影響

軋輥是軋機設備重要組成部分，其機械性能，尺寸精度、幾何形狀精度對生產的板材產品有著重要質量影響，精度指標不合格的軋輥投入生產時，是必影響軋機運轉不穩定，同時板材產品產生薄厚不均，凹凸波浪，邊緣彎曲等現象。

3.磨床磨削與測量聯動的定位誤差補償技術

基于機床坐標系，磨床工件坐標系的原點是加工中心和編程的零點，軌跡方向運動有兩個軸運動，即測量臺架V 軸和磨削工作臺架Z 軸，它們的定位基準點與加工中心零點存在一定幾何關系。

當測量軌跡方向的定位產生偏差時，新建虛擬的測量軸坐標系，硬性將物理同方向的測量軸運動及軸運動定位誤差存在著垂直幾何關系，圖5中X″坐標為測量臺架V 軸軌跡方向，而Y″坐標為V 軸運動定位誤差，理想的測量V 軸運動定位誤差映射到工件坐標是等于零，當實際測量定位誤差≥|5mm|時，通過新建的測量坐標系將測量定位誤差映射到測量坐標系等于零，而測量基準值也發生同樣方向大小的偏差位移補償，實現測量定位誤差補償。磨削Z 軸定位誤差補償思路與測量定位誤差補償原理一樣（圖6）。

圖5 新建測量坐標系

圖6 新建磨削坐標系

4.磨削和測量定位誤差補償的目的

圖7 故障輥形1

補償的目的：實現測量點的位置及對應的計算加工量與實際加工點位置和實際加工量一一對應，即磨削和測量兩軸的工作行程、運行方向、起點和終點定位、運行速度高度統一。

四、典型案例

故障輥形1（圖7）是L2-X02 軋輥在萬能磨床磨削3h 后檢測的圖形，尾架側曲線異常尖峰，超差明顯。運用定位誤差補償技術調整后，用25min（純磨削時間），輥形滿足精度要求。

故障輥形2 是CR085C1 軋輥在萬能磨床磨削4h 后檢測的圖形，輥身中部區域誤差曲線呈波浪形逐級放大，上下直穿誤差帶（圖8）。

故障輥形3 是XTBG109 軋輥在工作輥磨床磨削3h 后檢測的輥形，床頭側曲線誤差超差異常（圖9），這兩根軋輥表面有明顯的走刀痕，運用定位誤差補償技術調整，兩個軋輥都在45min 內磨削完成且滿足精度的要求，走刀痕完全消失。

圖8 故障輥形2

圖9 故障輥形3

五、結語

隨著市場對高端板材需求，CSP薄材產品的質量標準和成本消耗指標日趨苛刻。采用定位誤差補償技術，可保證軋輥磨削精度，降低額外的補償磨削輥耗，提升磨床有效作業率，實現經濟磨削。