數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的誤差分析及補(bǔ)償

劉明先

摘 要：數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前生產(chǎn)過程中起到不可或缺的作用，其精度是機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而誤差是會(huì)嚴(yán)重干擾數(shù)控機(jī)床精度的。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床誤差原因進(jìn)行了分析，總結(jié)了有針對(duì)性的補(bǔ)償方法，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。

關(guān)鍵詞：熱誤差；螺距；摩擦力；數(shù)控機(jī)床

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.112

隨著機(jī)床向自動(dòng)化方向的發(fā)展，在機(jī)械制造行業(yè)以現(xiàn)代化技術(shù)為主的先進(jìn)制造備中，數(shù)控機(jī)床是一種穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高、精度高的自動(dòng)化加工裝備，精度是機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，誤差是影響工件精度的重要因素。數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生的原因是多方面的。本文分析了數(shù)控機(jī)床精度誤差的原因，并針對(duì)各種誤差出現(xiàn)的具體情況提出了有針對(duì)性的解決方法。

1 數(shù)控機(jī)床機(jī)械變形誤差和螺距補(bǔ)償

數(shù)控機(jī)床機(jī)械變形誤差主要是由機(jī)床結(jié)構(gòu)變形造成，并且是一個(gè)較小的固定誤差值，常見于數(shù)控機(jī)床主軸、測量臂等變形而造成加工的工件超差。以國內(nèi)某一型號(hào)的磨床為例，磨床的砂輪滑架沿Z軸方向運(yùn)行時(shí)，相對(duì)X軸方向出現(xiàn)了機(jī)械變形誤差。

螺距補(bǔ)償?shù)脑硎遣捎靡淮尾逖a(bǔ)法，擬合誤差曲線，生成一個(gè)誤差曲線二維數(shù)組，然后對(duì)磨削曲線進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除

機(jī)械變形誤差。假設(shè)某次用激光校準(zhǔn)儀測量磨床誤差，得到10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為BedCorrection[X1，Y1]…BedCorrection[X10，Y10]。如果有一點(diǎn)為Xm（X1

圖1中的誤差曲線與X軸正相關(guān)，因此需要將誤差曲線與磨削曲線相加，如果是測量臂誤差曲線與X軸負(fù)相關(guān)，則需要將誤差曲線與磨削曲線相減，補(bǔ)償后的磨削曲線去CNC。

此外，為了避免誤差曲線在拐點(diǎn)處出現(xiàn)較大的跳躍，可以選擇不同的插補(bǔ)公式或采用高階插補(bǔ)方法對(duì)拐點(diǎn)處作平滑處理，防止數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)電機(jī)軸超速或過電流故障。

2 數(shù)控機(jī)床熱誤差和溫度補(bǔ)償

熱誤差是由溫度變化對(duì)機(jī)床軸的運(yùn)行精度造成的影響，溫度變化通常由環(huán)境溫度變化、刀具發(fā)熱傳導(dǎo)、電機(jī)發(fā)熱傳導(dǎo)、傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)發(fā)熱、液壓潤滑油溫的變化等引起，針對(duì)不同的溫度變化原因可采取不同的改善措施，例如恒溫車間、降低傳動(dòng)鏈阻力、油溫恒溫控制等，但由于熱誤差產(chǎn)生的原因多，并一直處在變化狀態(tài)，因此上述方法很難達(dá)到較好消除熱誤差的效果。

溫度補(bǔ)償是指找出溫度變化與機(jī)床軸運(yùn)行精度誤差之間的規(guī)律，建立合適的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)囊环N方法。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，軸在某溫度時(shí)的誤差可以看出，在一定溫度時(shí)，軸的誤差與軸的絕對(duì)位置關(guān)系基本上是一條斜線；溫度不同時(shí)，其斜率、零點(diǎn)不同，但都是一條近似的斜線。

軸在不同溫度下的誤差近似曲線可以用圖1中的數(shù)學(xué)分解來確定一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系式，即：

式（2）中：ΔKx為X軸在位置Px時(shí)的溫度補(bǔ)償值；K0（T）為軸在參考點(diǎn)位置時(shí)的溫度補(bǔ)償值；Px為軸的實(shí)際絕對(duì)位置值；P0為軸的參考點(diǎn)位置值；Tanβ（T）為誤差近似曲線的斜率。

如果能夠掌握不同溫度下的近似誤差曲線的斜率和零位誤差的規(guī)律，則可以通過在相應(yīng)軸的適當(dāng)測量點(diǎn)取得溫度值，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量值計(jì)算出的規(guī)律，生成不同溫度對(duì)應(yīng)軸的不同位置需要的誤差補(bǔ)償量，即tempCorrection[T1，ΔK1]…temp Correction[Tn，ΔKn]。用該誤差補(bǔ)償量對(duì)磨削曲線進(jìn)行了處理，補(bǔ)償后的磨削曲線去CNC，從而以軟件補(bǔ)償來減小溫度變化對(duì)軸精度誤差的影響。

由于對(duì)應(yīng)每一個(gè)X軸絕對(duì)位置坐標(biāo)都有一個(gè)溫度補(bǔ)償值，因此，溫度補(bǔ)償值引起的軸位置修整必須在一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)中完成，不能累積。如果溫度補(bǔ)償值過大，則會(huì)造成插補(bǔ)軸的速度不能滿足要求，溫度補(bǔ)償算法會(huì)根據(jù)主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、插補(bǔ)周期和補(bǔ)償值大小來計(jì)算允許的溫度補(bǔ)償最大速度附加值。當(dāng)速度超過上限時(shí)，自動(dòng)對(duì)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸進(jìn)行降速處理，從而在誤差補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)使機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行。

3 數(shù)控機(jī)床響應(yīng)誤差和摩擦力補(bǔ)償

機(jī)械軸傳動(dòng)鏈中的齒輪、絲桿、導(dǎo)軌等都存在摩擦力，軸由靜止開始運(yùn)動(dòng)時(shí)需克服靜摩擦力，靜摩擦力對(duì)軸的動(dòng)態(tài)特性有較大影響，而對(duì)于往復(fù)運(yùn)行的軸，在換向時(shí)則是摩擦力影響較大的階段。

圓弧插補(bǔ)時(shí)其中一個(gè)軸不換向而另一個(gè)軸換向，則換向軸的摩擦力對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響將直接影響到其是否能跟得上圓弧插補(bǔ)的軌跡，所以，摩擦力補(bǔ)償常用于圓弧插補(bǔ)的圓度補(bǔ)償。多數(shù)情況下，軸在整個(gè)加速運(yùn)行范圍內(nèi)的摩擦力是一個(gè)變化的值，比如加速度越大，則摩擦力越大，且在克服最初的靜態(tài)摩擦力開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力也會(huì)越大。因此，常用的摩擦力補(bǔ)償方法為根據(jù)幅度適應(yīng)曲線來確定實(shí)時(shí)補(bǔ)償值，一般常用的幅度適應(yīng)摩擦力補(bǔ)償曲線如圖2所示。

設(shè)當(dāng)前加速度為a，當(dāng)前補(bǔ)償幅度值為Δn，則4個(gè)曲線段分別如下。

要確定該曲線中的各參數(shù)，需要經(jīng)過多次測試，包括在軸整個(gè)速度、插補(bǔ)半徑范圍內(nèi)作測試，然后根據(jù)測試的結(jié)果經(jīng)計(jì)算得出最適合的參數(shù)值。此外，也可以采用常數(shù)值摩擦力補(bǔ)償?shù)姆椒?，結(jié)合機(jī)床的圓度測試功能來進(jìn)行補(bǔ)償測試，具體操作方法為：①機(jī)床正常運(yùn)行，摩擦力補(bǔ)償不投入；②進(jìn)行圓度測試，以常規(guī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行；③設(shè)置1個(gè)較小的摩擦力補(bǔ)償幅度值和時(shí)間常數(shù)，摩擦力補(bǔ)償投入；④進(jìn)行圓度測試，與步驟②相同；⑤根據(jù)圓度測試的結(jié)果，調(diào)整摩擦力補(bǔ)償幅度值和時(shí)間常數(shù)。

圓度測試結(jié)果通常有4種形狀，如圖3所示。

圖3中的“A”為摩擦力補(bǔ)償幅度值過小的情況，“B”為摩擦力補(bǔ)償幅度值過大的情況，“C”為摩擦力補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)過小的情況，“D”為摩擦力補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)過大的情況。如果經(jīng)過常數(shù)值摩擦力補(bǔ)償后在整個(gè)工作速度與半徑范圍內(nèi)的插補(bǔ)特性較好，則圓度測試滿足要求，摩擦力補(bǔ)償可停止；如果其補(bǔ)償效果不能達(dá)到要求，且摩擦力特性與軸的加速特性有關(guān)，則可以采用幅度適應(yīng)方法進(jìn)行摩擦力補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)控機(jī)床的精度作為機(jī)床最重要的技術(shù)指標(biāo)，受到了多方面因素的影響。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生誤差的原因主要有機(jī)械變形、磨損、熱誤差、靜態(tài)響應(yīng)誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差等。要想提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須針對(duì)誤差原因進(jìn)行分析，找到合適的誤差補(bǔ)償方法，比如螺距補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、摩擦力補(bǔ)償?shù)雀纳拼胧?。?duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，能有效改善數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度，使機(jī)床滿足制造企業(yè)對(duì)加工精度的要求，進(jìn)而提升企業(yè)的市場競爭能力。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕