數控機床加工尺寸不準的故障分析

劉洋 董磊

[摘要]本文在對數控機床加工尺寸不準故障方面展開探討，另外也分析了其中模塊刀具補償和補差算法，以期利用計算機自動求解出控制機床精密運動的代碼，實現對機床的精密控制。最后，提出精密數控系統整體設計中的5個模塊設計。同時，借助于機床裝備制造業來大力推廣誤差補償技術，并且在機床的設計制造過程中融入精度再生的理念。

[關鍵詞]數控機床 尺寸 分析

[中圖分類號]：TG659

[文獻標識碼]A

[文章編號]1672—5158（2013）05—0085—01

1造成數控機床尺寸不準的原因

數控機床通常是由控制介質、數控裝置、伺服驅動裝置、伺服電機、工作臺（或刀架）的位置反饋測量裝置等組成。在零件加工時，數控裝置按照控制介質上的加工程序，通過數控系統的數字運算后向伺服驅動裝置發出控制信號，驅動伺服電機轉動，再經滾珠絲杠螺母傳遞給工作臺（或刀架），使工件與刀具之間產生相對運動，同時位置檢測反饋裝置將工件與刀具之間的實際相對移動量轉變成電信號（如電脈沖信號等）反饋給數控裝置，數控裝置將指令轉位量與反饋的實際轉位量進行比較（其具體比較量根據伺報系統不同可分為相位、幅值、數字），將其差值又控制工件的相對移動，當工件與刀具相對移動量與指令移動量相符時，工件與刀具之間停止相對移動，從而加工出符合程序設計要求的零件。

但在實際加工中卻時常出現工件與刀具之間并未完全按照指令值進行相對移動，造成加工零件尺寸與設計不符。下面就以目前我廠應用最多的半閉環數控機床為對象進行分析，可將它分為兩部分：第一部分是伺服電機的實際轉位值與指令轉位值不符；第二部分是伺服電機的實際轉位值與指令轉位值相符，但工件與刀具的實際相對移動未達到要求。

2數控機床誤差補償技術背景

誤差補償技術發展40年來，國內外眾多學者的不懈努力推動著誤差補償技術的不斷向前發展。誤差補償的傳統途徑有硬件補償和軟件補償兩種。本文研究的是軟件誤差補償，它是依據誤差補償算法設計開發出應用軟件，對要加工的數控代碼進行處理，得到補償后的數控代碼，用以控制機床加工。軟件誤差補償技術的研究包括三個方面：數控機床誤差建模技術；誤差參數測量和辨識技術；誤差補償實施方法。

2.1數控機床誤差建模技術

數控機床誤差建模技術，要實現高精度誤差補償的首要問題是如何精確的建立數控機床空間誤差（幾何誤差、熱變形誤差、載荷變形誤差）的計算模型。其中，幾何誤差建模多種多樣，早期的研究是用三角關系來推導幾何誤差模型。比較有代表性是Rahman等基于齊次坐標矩陣建立起多軸數控機床的準靜態誤差綜合空間誤差模型，改模型還包含了幾何誤差、曰轉誤差、熱誤差和機床部件彈性變形誤差。如今多體系理論為基礎研究機床集合誤差建模及補償方法成為主要發展方向。然后，機床的熱變形誤差也是補償技術的難點，早期研究方法由經驗計算和數值計算，但前者通用性比較差，特別是參數變化較多，難以解決；后者利用實驗數據分析熱源和傳熱情況，計算結果比較準確，但是缺點是計算時間較長，且無法實現實時補償。目前，利用專家系統、神經網絡、模糊控制等人工智技術發展，給誤差補償帶來新的發展。載荷誤差主要體現在大型或重型機床上，如鏜銑床滑枕懸臂的下垂變形，龍門銑床主軸箱移動引起橫梁變形等，關于這方面研究較少。

2.2誤差參數測量和辨識技術

幾何誤差的檢測方法主要有下述兩大類：單項誤差直接測量法和綜合誤差測量參數辨識法。首先，單項幾何誤差直接測量法，利用用相應的測量儀器，對各項幾何誤差逐一進行測量，得到各項誤差。如用光柵尺、磁柵尺設備來測量螺距誤差等。這些方法效率低、精度差，難以實現自動測量，不能滿足現代高生產率的要求。再者，綜合誤差測量辨識方法該方法是對機床工作區域內指定點的定位誤差進行測，通過數學模型對其測量點的綜合誤差進行辨識，間接得到機床各項誤差的離散值。綜合誤差測量辨識方法常見的有：光柵陣列法、雙球桿（DBB）測量法、一維球列法、平面正交光柵測量法等。這些方法往往測量儀器簡單，效率高，操作方便。

2.3誤差補償實施技術

最傳統的誤差補償方法是借助凸輪、靠模、校正尺等機械式誤差補償機構，實現對精密機械系統的誤差進行修正的方法。雖然這類方法有一定的成效，但存在設計周期長、結構復雜、笨拙、成本高、柔性差等問題，難以滿足現代生產及市場競爭要求。隨著計算機、電子和檢測技術的不斷發展，以及人們對機床自身運動規律的認識不斷深入，1961年出現了以機床運動誤差建模及誤差補償專用功能芯片為主體的硬件誤差補償方法，逐步取代了傳統的機械式誤差補償方法，并取得明顯效果。

3數控系統中模塊刀具補償和插補算法

誤差補償是以數控機床的刀具中心路線為輸入量的，首先必須精確計算出刀具中心點的坐標值，同時為了構造融人誤差補償功能的數控系統，也必然要涉及到插補模塊。因此，刀具補償和插補算法是本論文研究中的兩個重要的基礎內容，也是數控機床精度再生關鍵技術基礎。

3.1刀具補償算法介紹

在進行零件加工程序（G加工代碼）的編程時，一般用零件的輪廓形狀進行編程，故刀具中心的運動軌跡總是偏離零件輪廓表面一個刀具半徑值。為使刀具最終加工輪廓與零件輪廓相符合，需要使刀具中心軌跡向外或向里偏移一個刀具半徑值，稱為刀具半徑補償。刀具補償由刀具長度補償和刀具半徑補償組成。不同類型的機床與刀具，其刀補參數也不同。這里，刀具長度補償通過給定刀具中心在主軸端面中心坐標系中的位置矢量來補償，重點就是半徑補償。精密加工系統必須正確、全面地考慮刀具補償，否則得到的仿真結果將和實際加工結果存在著偏差。尤其是數控銑削加工部分中的關于程序段之間轉接判斷和轉接點的計算，其中也必須遵守刀具半徑補償算法的規定，即程序段軌跡角度和刀具半徑矢量的規定。

3.2差補算法介紹

由于數控程序中的數據值只能是一段軌跡的起點和終點坐標值，因此，在起點和終點之間要進行“數據點密化”工作，即插補過程。插補工作對數控機床而言，一般是由硬件中的運算器來完成的，而在本仿真軟件中，則可利用軟件方法來實現，把每次模擬插補計算產生的指令信號輸出到計算機顯示器終端，驅動顯示器的彩色象素點工作，從而動態、實時地顯示刀具的當前位置，進而動態顯示出刀具在整個加工過程中的切削運動軌跡，實現對數控程序代碼的仿真。一般，對于實時和高速沒有特別的要求，可以采用的是逐點比較脈沖增量插補算法。

4總結

以上對數控加工機床出現加工尺寸不穩定，就實踐中較易出現的幾種原因進行了分析。在具體故障判斷中，要求我們仔細觀察故障的細微變化與不同，運用電氣與機械知識，對其進行全面分析后，方能準確找到故障點及時排除。本文以數控機床精度可再生為研究內容和目的，在回顧數控機床誤差補償技術研究進展基礎上，分析了其中模塊刀具補償和補差算法，以期利用計算機自動求解出控制機床精密運動的代碼，實現對機床的精密控制。最后，提出精密數控系統整體設計中的5個模塊設計。同時，借助于機床裝備制造業來大力推廣誤差補償技術，并且在機床的設計制造過程中融入精度再生的理念。

參考文獻

[1]余峰浩，淺談數控加工中心的安裝與調試[J]機械工程與自動化，2006，（01）

[2]劉博，徐慶華，經濟型數控機床加工中誤差來源分析及其對策[J].中國科技信息，2006，（04）