數控機床誤差補償關鍵技術及其應用

姚映涵

山西經濟管理干部學院，山西太原 030024

數控機床誤差補償關鍵技術及其應用

姚映涵

山西經濟管理干部學院，山西太原 030024

數控機床在社會生產中扮演著重要的角色，尤其是以機械化為主的現代社會生產。現階段，數控技術已成為我國工業領域發展過程中一項不可或缺的生產技術。為促進數控技術及數控機床在工業領域內的進一步發展與應用，本文主要從誤差補償的定義及誤差分析，數控機床誤差補償的關鍵技術與數控機床實時誤差補償技術的實際應用三方面進行論述。

數控機床；誤差補償；關鍵技術；應用

近年來，隨著數控機床發展的日益迅速和應用的日益廣泛，其加工精度已成為衡量一個國家工業發展水平的重要指標。數控技術是一項集計算機技術、微電子處理技術、自動化、信息處理等多種現代化信息技術于一體的制造技術，具有自動化、高精度、高效率等特點。由于數控機床在加工過程中總是伴隨有誤差的產生，而使得機床的加工精度受到一定程度影響。所以，為提高數控機床加工精度，減小加工誤差，就需要在實際應用中采取關鍵技術對誤差進行補償。

1 誤差補償的定義與誤差分析

1.1 誤差補償的定義

誤差是現實生活中普遍存在的一個現象，它雖然不能夠完全消除，但卻可以得到有效的降低。其中誤差補償就是減小誤差的一個有效方法，也是現代應用較為廣泛的一個誤差控制方法。所謂誤差補償，是指以人為的方式去制造出一種新的誤差來抵消或減弱成為問題的原始誤差，并在掌握原始誤差特點和規律的基礎上，通過運用統計分析、歸納等方法建立出誤差分析數學模型，以盡可能使人造誤差與原始誤差在數值上相近或相等，在方向上相反，從而達到減少加工誤差，提高零件加工尺寸精度的目的。工程性與科學性是誤差補償所具有的兩個主要特性[1]。

1.2 數控機床的誤差分析

誤差分析是數控機床誤差補償整個過程中的基礎與前提。只有優先對數控機床的誤差及其產生原因進行深入的了解與分析，對誤差的各個環節進行充分的考慮，全面準確掌握誤差的性質與各誤差之間的關系，才能夠制定出有效的誤差補償措施，才能夠保證選擇的誤差補償技術是適合的、有效的。通常，誤差分析可以從兩方面入手：第一，誤差產生的原因。主軸、床身、立柱和各種旋轉軸是一般數控機床的幾個關鍵組成部分，而每一個部分都會產生誤差，所以數控機床誤差產生的原因主要有數控機床的運動誤差、切削力、刀具磨損、熱變形、機床裝備誤差、夾具誤差、機床部件的幾何誤差等。第二，誤差的分類。從誤差性質分析，誤差可以分為動態誤差和靜態誤差；從誤差補償角度對數控機床的分類分析，其又分為位置誤差和非位置誤差[2]。

2 數控機床誤差補償的關鍵技術

2.1 建立幾何誤差與熱誤差綜合數學模型

以一臺具有雙主軸和四根運動軸的數控機床為對象，由于有兩個主軸所以需要建立2個誤差數學模型；由于采用齊次坐標轉化法對誤差數學模型進行推導，所以為了計算工件與刀尖之間的誤差必須要建立一系列坐標系，其中應包括固定坐標系和可移動坐標系，以便坐標可以隨著主軸與機床熱變形的移動而移動。誤差數學模型建立好之后，需要對誤差進行綜合計算。首先，將兩主軸刀尖的位置在對應坐標系中表示出來，然后將其分別轉換到中拖板坐標系之后，再轉換到大拖板坐標系中，最后轉換到數控機床的固定坐標系中。相對于固定坐標系，通過相關計算公式可以得出刀尖的誤差[3]。工件誤差計算與刀尖誤差計算的原理相同，即將兩個工件表面正處于被切削點的位置在相應坐標系中表達出來，最后轉換到固定坐標系中，通過相關計算公式得出工件的誤差。由于刀尖點與工件的正被切削點為同一點，所以將位置坐標、誤差元素等有關內容帶入到綜合誤差計算公式中，可以分別得出兩個主軸的綜合誤差。通過對該綜合誤差分析可以判斷出該機床是否含有能夠影響機床加工精度的誤差存在以及誤差數量的多少。

2.2 主軸熱誤差實時補償技術

主軸熱誤差實時補償技術是依據開放式數控系統的功能特點，通過利用PMAC控制卡對系統中的相關代碼進行修改增加實時功能，從而實現對數控機床主軸熱誤差的實時補償。該技術的補償原理是在數控機床的熱關鍵點布置一臺智能溫度傳感器，用以對機床的溫度信號進行實時采集，將采集的溫度信號經過ARM處理器處理后，經由相關接口將溫度信號實時傳送到PC端，PC機將接收進來的溫度值帶入事先建立好的主軸熱誤差數學模型，從而估算出熱誤差補償值。將該誤差補償值帶入到數控機床的控制器中，控制器根據原數控程序設計的坐標值和帶入的誤差補償值所進行的實時控制刀架附加進給運動來對主軸熱變形誤差進行修正，最終達到減小誤差、提高機床加工精度的目的[4]。

3 數控機床實時誤差補償技術的實際應用

熱變形是數控機床誤差主要來源之一，尤其是機床的主軸，經常會因轉速升溫過高而產生熱變形誤差，從而對機床加工精度造成直接影響。本文以FB260重型數控落地鏜銑機床為研究對象，對熱變形誤差補償技術在其中的應用進行探討。

為減小該數控機床的熱變形誤差，工作人員采用SIEMENS 840D系統建立溫度補償機制，并運用PLC編制溫度補償程序。溫度補償硬件設計的核心是利用熱敏電阻將電流或電壓值輸入到溫度傳感器模擬輸入信號模塊，經過PLC程序處理后產生溫度補償值，傳送給數控系統，最終完成溫度誤差補償。該機床安裝的WZP035型號熱敏電阻傳感器，溫度測量范圍在0℃到300℃之間，符合重型數控落地鏜銑機床6℃到46℃使用溫度區間的要求。補償程序主要用于將溫度傳感器中的溫度模擬輸入信號轉化為數字信號輸出。由于在不同溫度下所產生的誤差補償數據也不相同，這就需要對模擬輸入信號進行篩選和分析，并將建立好的函數模型轉化為PLC能夠識別出的公式，將測量出的溫度值帶入該公式進行計算。溫度補償的具體步驟為：首先，利用相關軟件工具生成相應的數據塊，將該數據塊傳送到數控系統的PLC程序中對其進行編寫[5]。然后，通過數控系統提供的功能模塊向對應參數變量定時寫入當前經過計算的斜率，運行程序后即可完成該數控機床的熱變形誤差溫度補償。

4 總結

綜上所述，采取誤差補償技術提高數控機床加工精度是推動我國工業快速發展的有力工具，是提高數控機床產品性能、擴大機床使用范圍的重要前提。隨著數控機床誤差研究與分析的不斷深入，相信未來會出現更多更有效的誤差補償技術。

[1]孫明陸.數控機床熱誤差補償關鍵技術研究[D].天津大學，2012.

[2]曹永潔，傅建中.數控機床誤差檢測及其誤差補償技術研究[J].制造技術與機床，2007（04）：38-41.

[3]劉又午，章青，王國鋒，等.數控機床誤差補償技術及應用發展動態及展望[J].制造技術與機床，1998（12）：8-9+24.

[4]萬海波.數控機床主軸系統性能劣化分析及誤差補償技術研究[D].浙江大學，2011.

[5]景宏令.數控機床幾何誤差分類與建模技術研究[D].河北工業大學，2014.

TG659

A

1674-6708（2015）148-0090-01

姚映涵，研究方向：機械類機電一體化