多軸數控機床幾何誤差辨識與補償技術研究

許琪東 鐘造勝

（佛山職業技術學院，佛山 528137）

在以往關于多軸數控機床技術的研究中，研究者運用技術手段辨識幾何誤差時總結出了多種辨識方法，其中包括較為著名的單項幾何誤差直接測量法和綜合誤差辨識法兩種理論方法。前者的誤差辨識基于對數控機床所存有的單項誤差的判定，利用平尺、千分表、自準儀等測量設備完成對誤差的測量，但是精度低、效率差。與之相對的是綜合誤差辨識法，它運用數學模型完成空間指定點的測量，是目前廣泛應用的辨識技術。

1 多軸數控機床的幾何誤差測量和辨識

為了能夠合理運用現階段幾何誤差測量和辨識技術，本文選用了DMU五軸數控機床作為實例展開探究，并利用現有技術，實現對該型號數控機床的誤差辨識。

1.1 10線法的平動誤差測量

在目前的綜合誤差辨識法中，一般選擇使用較為簡單方便的位移線法測量和辨識機床的平動誤差，隨著位移線法的發展，9線法、10線法、12線法都已經得到了相對成熟的應用。其中9線法主要的特征為測量線少、數據處理方便，但是位移測量的直線度誤差大，配備組件昂貴；而12線法則是在9線基礎上增加三條兩軸聯動線，從而獲得平動軸的21項誤差，但在求解滾百誤差時會產生非聯動軸無限小量，存在誤差。綜合考慮，本文在對DMU五軸數控機床的誤差辨識中，選擇了10線法。

在10線法中，本文將根據長方體測量空間來確定機床平動軸行程，在接近機床坐標系的機床運動達到最小指令時，可以獲取主軸端面、主軸軸線二者的交點作為起始點，再以起始點為原點，建立測量坐標系。對于DMU五軸數控機床來說，本文在測量后，得出了X軸、Y軸和Z軸的數據，分別為115cm、-70cm以及-70cm，從而確定了測量空間為80cm×60cm×40cm，從而獲得以原點為坐標系中心的測量空間各頂點的坐標值。根據空間設定，利用10線法中對于點數相等的要求，在坐標系X軸、Y軸、Z軸中分別截取2cm、1.5cm和1cm，計算10線的測量間距，再將每條線進行40點測量，重復測量三次，從而得出檢測線的行程，以此來表示三軸聯動情況。在10線行程中，通過求取誤差平均值將相對起點的誤差中存在的不規則點進行平滑處理，得出位移誤差曲線。在曲線中，橫軸為測量的點位，縱軸為微米單位誤差量，即得到該五軸數控機床的平動誤差。

1.2 球桿儀實際位姿法的回轉軸誤差測量

相較于成熟的平動誤差辨識技術來說，對于數控機床的回轉軸誤差的辨識和測量，目前研究領域尚未形成完善的技術理論。大部分研究者在辨識回轉軸誤差的過程中一般采用球桿儀方式測量數控機床回轉軸的軌跡，從而對回轉軸當中所含有的單項誤差進行辨識。

在測量DMU五軸數控機床的回轉軸誤差時，本文選用了球桿儀方法展開對C旋轉臺的誤差測量。在該機床當中，C旋轉臺的測量范圍在360°以內，且旋轉間隔角度為6°，通過機床內置功能程序，可以設定C旋轉臺的運行方式為逆時針旋轉。本文選取了10cm長度的球桿儀，通過每間隔角度測量一次的方式采集測量數據[1]。首先，運行機床，使C旋轉臺處于初始位置，再利用刀桿套將球桿儀安裝在主軸之上完成鎖定，并借助預置于工作臺上的墊塊將工作臺與球桿儀連接。在開始測量后，使X軸和Y軸與主軸相互重合，使其坐標歸零，再將主軸與旋轉臺的交點設為原點建立測量坐標，對記錄移動距離。在完成記錄后，需要分別整理球桿儀設備的切向、徑向、軸向等測量誤差，從而獲得三個行程的桿長平均值，再將平均值與理論桿長數據進行對比，得出測量方向的桿長變化值，從而獲取三個行程的誤差數據，統計為數控機床的回轉軸誤差。

2 多軸數控機床的幾何誤差補償方法

為了使多軸數控機床可以在工作當中滿足生產要求，需要通過一定的補償方式降低數控機床所具備的幾何誤差，提升生產質量。本文選用補償軟件設計的方式對所選用的實例五軸數控機床進行誤差修正。

2.1 誤差補償軟件的設計方法

在軟件設計中，需要凸顯出多軸數控機床的誤差特點，因此，要求軟件具備誤差辨識、建模以及補償方法實現三個功能模塊。其中，辨識模塊主要負責為軟件提供數控機床所具有的誤差參數，而補償模塊當中需要具備建模模塊這一子模塊，利用代碼迭代的方式反復調用，完成補償。在設計DMU五軸數控機床的軟件過程中，針對該數控機床的前置刀位數據特點，本文通過對該機床拓撲結構的設定，選用NC程序完成誤差補償。在程序當中，借助輸入方式，可以由系統建立測量坐標系，再將數控機床的單項誤差值組成實際的變化矩陣，在矩陣中形成矩陣連乘，計算出回轉速度，再與理論角度進行對比，得到轉角誤差。將誤差放置入迭代條件中，當實際角度無法達到上一次轉角誤差要求時開始迭代，直到刀位誤差滿足要求，停止迭代，最終輸出NC代碼，完成補償。

2.2 誤差補償軟件的功能實現

在系統中，設置DMU五軸數控機床的結構形式，使其在系統界面擁有八個操作按鈕，分別為工作、軸選項Z、軸選項C、軸選項X、軸選項Y、軸選項B、床身選項F和刀具，使系統擁有針對DMU機床的拓撲結構。此后，逐步設置誤差行程、誤差參數、刀具安裝位置、迭代控制值等內容，使系統完成對機床的判斷。完成設置后再輸入補償代碼。首先在系統界面的代碼類型對話框中，勾選“使用RTCP”，再載入完整性、規范化處理后的NC原始代碼[2]，使其出現在主界面上方的顯示區內，點擊“轉角突變控制參數”按鈕進行查看，得出相鄰理論代碼之間的最小刀軸矢量，此時如果出現轉角圖標問題，則系統會直接進行補償。在輸入補償代碼的文件后，系統將通過迭代判斷機床的幾何誤差，并將判斷內容顯示在顯示區中，通過顯示區的數據顯示，可以瀏覽諸如C轉角等補償變化內容，再通過設置刀軸矢量的控制半徑，判斷C轉角修正是否準確，使系統可以借助NC代碼完成補償，解決轉角突變問題。

3 結語

綜上所述，在現階段的多軸數控機床幾何誤差的辨識和控制技術中，研究人員一般采用軟件系統的方式來完成工作。相較于以往的技術手段，系統軟件的運行能夠更加精準地判斷數控機床的幾何誤差，并利用代碼的迭代完成數控機床的誤差補償，高效率地實現機床功能的提升。

[1]馮剛，付國強，孫磊.多軸數控機床轉臺幾何誤差辨識新方法[J].浙江大學學報（工學版），2015，49（11）：2083-2091.

[2]付國強，傅建中，沈洪垚.五軸數控機床旋轉軸幾何誤差辨識新方法[J].浙江大學學報（工學版），2015，49（5）：848-857.