數控機床機械加工精度提升中誤差補償法的實踐與探究

孫 磊 王東新1， 李軍義1，

1.西北稀有金屬材料研究院稀有金屬特種材料國家重點實驗室 寧夏 石嘴山 753000

2.西北稀有金屬材料研究院鈹材研究所 寧夏 石嘴山 753000

1 引言

在應用數控機床開展機械加工作業中，經過加工后的工件，其實際的幾何尺寸與設計圖紙中的尺寸要求之間的符合程度就是機械加工精度，二者之間的差值就是加工誤差。加工誤差也一直是數控加工以及機械行業中研究的重點。在目前數控行業在不斷發展進步的同時，也對機械加工精度的要求在不斷提高，這就需要針對各種原因引起的誤差進行研究，通過相應的補償法來不斷提升加工精度。為了提升數控機床機械加工精度，需要通過對機械加工中加工誤差的研究和控制，以及對各種機械加工誤差產生的原因進行分析，提出常用且有效的誤差補償方法，滿足數控機床機械加工精度的要求。

2 機械加工誤差的分析

2.1 加工原理誤差 此種誤差是數控加工中最為常見的誤差類型，主要是在加工零件時按照理論上的技術、刀具輪廓以及傳動比等要求進行實際加工產生的實際參數與理論數值之間的偏差。這主要是由于雖然實際加工中所采用的加工流程看起來與理論相似，但是加工方法與理論上有所差距，這就會導致此類誤差的出現。或者是實際操作中的刀具曲面無法滿足理論上的理想要求的問題，而是通過近似刀具曲面來代替，這就會在刀具輪廓加工中造成此類誤差。

2.2 工藝系統誤差 在數控加工中，此類誤差主要由零件受力點位置變化或者是受力程度變化而引起。對于前者來說，機械加工中切削位置變化會改變切削著力點，此種變化改變加工零件的受力點，而且會造成在位置交錯中出現誤差問題。針對后者來說，在零件受力點變化的同時也會影響此點受到的切削程度，加之零件本身存在不同的材質、形狀以及尺寸等特點，結合不同受力點的不同切削力度，就容易造成加工工藝中的誤差問題。

3 數控機床機械加工精度提升的誤差補償技術

3.1 硬件靜態補償法 此種方法是通過外部硬件機構的添加，通過機構來施加外力，在此外力的影響下可以在機床加工過程中的副位置產生與誤差方向相反的運動，以此來實現誤差的減少。比如在對螺絲進行加工時，針對加工機床絲杠之間的誤差問題，可以應用螺距校正尺來對絲杠之間的螺距進行校正。此種方法只能在機床停止運行時應用，或者是對硬件的參數進行調整，無法在加工過程中進行實時的補償，具有一定的應用局限性，通常會與其他方法進行綜合應用。圖3.1所示就是其中的RTCP參數補償法的原理。

圖3.1 RTCP誤差補償原理圖

3.2 靜態補償法與動態補償法的綜合應用 針對靜態補償法的優勢以及無法進行動態補償的缺點，提出了將其與動態補償法結合的綜合方法。對于動態補償法來說，就是在加工作業過程中，結合機床的實際運行工況、運行環境以及空間位置的變化情況來進行實時追蹤，并開展實時的補償，并且通過運動的實時現狀來進行反饋補償。比如在對軸承的機械加工中可以在監控熱量、幾何形狀以及切削程度的同時來對參數進行修改和補償。此種方法的對于數控機床的技術水平以及成本投入較高。綜合誤差檢測原理如圖3.2所示。

圖3.2 誤差檢測方法

3.3 進給伺服系統補償法 在數控機床中，伺服系統是對各個加工坐標軸的運動起到驅動作用的傳動裝置，此種補償方法就是從正反兩個方向結合加工軌跡所開展的補償方法。通過此種補償方法的應用可以實現加工精度控制到0.1微米的要求，而且在實際應用中還表現出具有較寬的調速范圍、響應快速、不會出現超調以及低速大轉矩等特點。

以典型的數控機床進給系統為例，其開環控制系統由步進電機構成，而且此電機的角位移或者線位移與脈沖數成正比，同時其轉速與脈沖頻率成正比，在控制機床加工時是通過將指令脈沖向步進電機的輸出軸進行轉變來實現旋轉運動的。針對閉環控制系統來說，其驅動裝置主要是直流伺服電動機或交流伺服電動機，主要是通過檢測裝置來檢測機床工作態度的實際位移，比你更企鵝向數控裝置中的比較器進行及時反饋，通過對指令位移信號的比較來作為伺服電機的控制信號，實現對工作臺的驅動來對位移誤差進行消除。針對半閉環進給位置伺服系統來說，其中的光電脈沖編碼器發出的脈沖作為位置的反饋信號以及測速信號，黨出現負載變化時就會改變反饋脈沖信號，之后對伺服電機的轉速進行控制來降低精度誤差。

3.4 修改G代碼補償法 數控機床加工中的重要程序語言就是G代碼，此代碼中有刀具補償功能，可以通過修改刀位信息來進行誤差的補償。以五軸機床為例，在進行誤差補償模型建立之后，通過CAM軟件的應用來修改此模型中的初始刀位，然后對G代碼進行修改。在確定工件的幾何形狀之后，還要對工藝過程和刀具軌跡進行確定，然后通過G代碼的修改來補償位置偏移所引起的誤差。

3.5 坐標偏置補償法 此種方法就是通過偏移數控系統的坐標原點的方式來進行誤差補償的方法，而且在此方法應用中需要以位置等信號的反饋作為補償依據。具體地說，就是通過數控系統的操作來顯示零件加工的誤差校對，針對已經出現的誤差，需要重新設置此系統中的原點坐標，起到對已經出現誤差的補償，比較適合在三軸坐標的數控機床中應用。在此種方法應用中，對側頭進行使用時需要選擇固定側頭，還要結合軟件來進行補償，以確保基準的穩定性。

4 結語

針對目前數控機床加工進度的要求不斷提高的發展趨勢，需要通過誤差補償法的應用在滿足上述零件加工精度要求的同時，提升機械加工工藝技術，推動機械加工企業向更高精度和更高質量的方向發展。針對本文中所介紹的各種誤差補償法來說，目前已經被廣泛應用，而且相關學者也在繼續深入研究來對誤差補償技術進行改進和更新，推動其成為現代社會精密工程的主要技術。