探究機械數控機床位置控制與誤差補償

蔣東洋

摘要： 對于數控機床來講，具有較高智能性，然而在生產實踐中部分數控機床，尤其在經濟型機床方面，并不能夠讓人滿意，比如插補程序以及參考點位置設置不足等。對此，本文闡述了數控機床的誤差補償必要性、介紹了數控機床的位置控制精度以及誤差，介紹了機床位置的誤差補償，并比較了誤差補償應用情況，希望能夠為相關單位與人員提供參考。

Abstract： For CNC machine tools， it has high intelligence. However， in production practice， some CNC machine tools， especially in economical machine tools， are not satisfactory， such as interpolation procedures and insufficient reference point position settings. In this regard， this article explains the necessity of error compensation of CNC machine tools， introduces the position control accuracy and error of CNC machine tools， introduces the error compensation of machine tool position， and compares the application of error compensation， hope to provide reference for relevant units and personnel.

關鍵詞： 數控機床;位置控制;誤差補償

Key words： CNC machine tools;position control;error compensation

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0079-03

0 ?引言

強化數控機床生產具有較多精度，涵蓋刀具幾何參數與材料類型，對系統誤差與切削環境進行科學控制。現階段，借助強化機床零件精度、減小應力變形影響等方法充分降低機床誤差，延長機床壽命，此種方法在基礎層面來講日益困難，經濟層面也無法承受，所以誤差補償得以

發展[1]。

1 ?機械數控機床位置控制概述

對于各個數控機床來講，均會對零點所在位置進行設置，另外，該點為固定點，采用何種方法均無法進行更改。在數控機床方面，參考點設置的關鍵目的就是能夠借助其在機床工作時，對零點所在進行確定。對于參考點位置，存在和零點位置重合的可能性，也會存在偏差問題，數控機床出廠前，會安排專業人員設置參考點，若是數控機床在日常運行中，發生報警問題，那么表明參考點返回動作出現異常現象，無法對正確參考點進行確定，那么該故障形成的關鍵原因可能是由于坐標軸出現越位問題，工作人員借助復位按鈕能夠實現復位。而數控基礎屬于一種前沿加工生產設備，具有智能化特點，能夠有效、快速地對參考點無法復位故障進行處理，工作人員可以在坐標軸正極限位置進行設置，將電源接入設備之后，坐標軸均會處于參考點負方向位置。

進行應用實踐時，在數控機床對參考點返回動作進行執行過程中，均會產生螺釘旋轉，螺釘進行一次旋轉，就會將零脈沖信號向接近傳感器中進行傳輸。所以，采用何種方法科學選取零脈沖信號，進而獲得準確、科學參考信號。在工作人員方面，應該深入開展分析以及研究工作。一般，工作人員應該將硬件擋塊與行程開關安裝于坐標軸中特定位置，以此為參考點的減速開關，若是達到該位置之后，要求系統作出減速動作，最終實現停止目的。在發展初期，借助以上開關可以實現定位目的，傳感器也能夠有效檢測不同零脈沖信號，借助減速開關，對參考點返回信號進行有效確定。另外，CNC裝置需要正確識別零脈沖信號，在CNC裝置保持低速工作狀態情況下，減速開關一般需要將信號傳輸給PLC輸入端。所以，在數控機床的參考點返回方面，應該選擇雙開關手段。初期定位的減速開關為第一個開關，精準定位接近傳感器為第二個開關。各個借助數控機床加工的機械產品在生產過程中會被機床誤差所影響，同時影響程度較大。開展數控機床開展生產實踐活動時，一般會廣泛應用誤差補償手段，以現階段實際角度分析，相關人員對于該技術較為青睞，然而在生產加工實踐活動中并未獲得廣泛應用。出現誤差問題后，采用何種方法展開有效補充，并且對誤差來源進行快速識別，是當前生產實踐活動中的重要問題。另外，數控機床在加工實踐中的影響因素較多，比如，工作環境的空氣溫度和質量，開展機床安裝作業過程中出現的誤差與溫度誤差。另外，空間誤差與高頻誤差主要是在數控機床生產活動中工作人員的逐步認識。同時，科研人員不斷深入研究數控機床誤差來源，在時間不斷推移過程中，研究工作日益深入，采用何種方法準確檢測單項誤差，同時以此為基礎開展誤差補償工作，是現階段研究人員亟需處理的問題。

2 ?數控機床的誤差補償必要性

在數控機床中，開展加工實踐活動時，存在一些要求，各種數控機床類型在刀具、工件等方面的要求也具有一定差異，在工件與刀具應用于產品生產活動過程中，彼此之間相互運動，是形成動態誤差的關鍵原因。對于相關人員而言，應該充分重視動態誤差，同時進行科學補償。因為，為了提高機床生產水平，僅僅通過靜態誤差補償無法滿足要求，還應該結合動態補償方法，相關人員需要對動態補償技術進行充分深入研究，保證滿足加工要求，進而生產高質量產品[2]。

控制與補償誤差也是對數控機床工作誤差進行有效控制的途徑。對于控制，主要是借助調整機械部分、完善工藝過程以及優化加工環境等方法充分減少加工誤差。補償主要是基于得到機床誤差條件下，借助對系統參數以及其他數值進行調整，實現系統誤差抵消或是平衡目標。企業與行業對于誤差補償技術更為認同，該方法具有經濟效益突出、簡便易行以及靈活性大等特點，可以在企業中進行廣泛推廣。

機床開展加工實踐活動時，各類機床刀具以及工件存在差異，在工作過程中產生相對運動，所以會形成動態誤差，對于動態誤差同樣需要開展實時出廠處理，所以，要想保證機床整體加工水平得到有效提升，不僅需要有效補償靜態誤差，還需要積極研究動態補償方法，促使產品加工要求以及產品質量等得到充分滿足。現階段，科研院所與機床生產公司在誤差研究方面的工作不斷增加，對于提升未來數控機床產品加工質量等方面具有良好助推作用，然而因為研究誤差的工作一般需要實踐經驗提供研究，技術人員缺乏足夠時間，所以主要是完成日常任務，在機床深入研究方面無法投入大量時間，而科研院所的人員主要是以理論研究為主，因此，現階段，誤差補償的研究工作并未廣泛應用在實踐活動中。

3 ?數控機床的位置控制精度以及誤差

3.1 位置變化的原因

數控機床工作過程中，主要是根據提前編制的程序以及輔助參數，根據既定路線開展零件精準加工活動，借助機械化操作以及控制降低人為誤差，另外強化產品生產速度，并減少加工成本。

現階段，在數控機床中，交流伺服的位置控制技術應用較為廣泛，其結構主要涵蓋機械手臂、數控機床與點陣式糧倉等。在數控機床工作過程中，可以讓U光電編碼器工作，同時形成脈沖數，進而有效控制機床位置滿足規定要求。數控機床在工作時發生位置誤差的主要原因在于，加工過程中刀具和工件摩擦形成熱量，導致機床位置出現變化，所以也會造成工件相對位置發生變化。由于數控機床的結構系統性與復雜性特征較為顯著，所以使得機床控制難度增加。為了充分實現機床位置精準化和動態化控制，應該借助增量動態模型同時根據熱位移、溫度等數據對機床熱變形進行計算，所以需要充分分析機床溫度和位置誤差的關系。之后根據分析數據和計算數據建立模型，同時借助模型開展位置控制工作。

3.2 校正機床位置

①構建數控機床的目標控制函數。為了保證數控機床能夠高精度工作，可以采用前沿技術手段和專業理論建立數控機床的目標控制函數，借助該函數精準校正機床位置，避免發生位置偏差問題。建立目標控制函數過程中，首先借助專業技術方法，對數控機床控制參數相關性進行有效測量，進而便于后續建構以及矯正活動有序開展。

開展控制參數相關性測量活動時，選擇一次逆銑法開展主軸承銑削活動，開展生產活動時，根據齒寬率修正接觸線，在修正過程中同時開展檢測以及記錄等工作，最后獲得數控機床生產測試軸承的轉動慣量。獲得相關數據之后，合理給定數控機床中主軸滾子的軸承銑削生產誤差的參考量，之后對直齒生產過程中切削參數進行測試，同時進行優化處理，在切滾刀模數與安全允量較為接近情況下，對工藝參數的解算相關性的控制函數進行計算，同時根據公式對相關性測量矩陣進行計算。對數控機床控制參數的相關性進行精準測量前提下，根據相關理論、公式以及精準數據建立約束函數。建立約束函數過程中，應該對數控機床基于工作條件下齒像方向誤差、軸向形成以及進給速度進行有效計算。要想保證數據精準度，應該選擇距離測試方法開展測試工作。之后按照公式以及理論等對數控機床的平動速率和平動行程的關系進行有效測試[3]。

②建立誤差關系的增量動態模型。控制機床位置過程中，因為控制精度一般受到溫度變形等方面影響，所以為了強化機床位置坐標控制精度，應該保證溫度信息精準性。要想保證分度變形數據精度，應該選擇補償法開展檢測以及計算等工作。開展實踐活動時，應該對機床位置精度中結構特點影響情況進行充分分析，根據分析結構建立增量模型與數控系統，通過信息化模型有效監測機床工作過程中位置變化數據，進而為校正位置誤差提供良好依據。增量模型與數控系統檢測原理、程序如下：將數控機床開展生產活動過程中，數控機床中溫度感應設備能夠對數控機床工作溫度自動采集，同時向數控系統傳輸溫度數據，系統處理數據之后，在增量模型中運用數據，模型能夠對誤差補償值自動進行計算，參考該數值校正機床位置，促使機床沿著坐標軸進行運動。現階段，還可以根據高精度坐標方法，獲得數控機床在工作條件下不同坐標的合成軌跡，以此為基礎借助幾何誤差校正技術，校正偏差位置，進而滿足位置精度要求。

4 ?機床位置的誤差補償

4.1 硬件補償

選擇硬件誤差補償技術過程中，一般是借助對硬件參數進行調整實現強化位置精度控制目標。比如，調整數控機床中構件深淺、大小、尺寸等信息，進而保證數控機床在工作時經常出現位置偏差問題得到有效處理。不僅需要對機床部件參數進行調整，還應該預緊緊固螺母與螺栓等部件，充分補償軸承間隙。完成補償處理之后，雖然提高了數控機床的位置精度，然而會導致機床成本增加。同時選擇該補償方法之后，并不能夠保證后續機床補償值調整工作零活性所以，需要結合生產實踐情況科學應用[4]。

4.2 軟件補償技術

采用該方法開展補償工作時，應該對反向間隙進行有效測定，之后結合測定結果對參數表補償值進行科學調整，通過抵消機床系統工作過程中形成的誤差值，充分降低機床的物質誤差。相比于硬件補償技術，該方法操作便捷，同時具有良好適用性以及通用性。通過實驗研究發現，該方法具有良好共臺性，同時補償操作非常靈活，在數控機床工作時，補償值會根據具體工作狀態補償值也會發生相應變化。當前，軟件補償的應用更加廣泛[5]。

軟件補償實例如下：

因為激光干涉設備具有自動線性補償功能，能夠在機床工作時對機床的位置精度進行自動檢測同時進行自動補償，所以能夠借助其在數控機床運動軸中具有反向間隙功能實現自動測量以及補償工作，充分提升機床加工精度。借助激光干涉儀檢測以及補償位置精度過程中，應該對相關參數進行體現設備，比如可以對起點坐標進行0設置，終點坐標進行100設置，步長進行4mm設置，自動測量往復行程的次數設置為20次。以此為基礎進行補償參數設置，促使激光干涉儀測量頻率為1次/10mm，停頓時間為4s，測量次數選擇11次，總計工作10mm。

完成參數設置工作后，進行測量程序編寫工作，此過程中需要將機床具體加工精度作為參考，基于滾珠絲杠的有效范圍根據標準順序對不同采樣點進行科學確定。完成采樣點設置工作后，借助增量補償方法科學測量與采集誤差補償值，對不同數據進行整合處理，進而形成各種指令位置以及帶后沖動值的誤差表。結合誤差表科學分析誤差形成原因，同時打開控制模塊中參數設置單元，之后點擊“軸間補量”Z軸補償單元，將反向間隙的均值輸入Z軸的反向間隙中，進而充分補償誤差。通過研究以及實踐證明，通過上述開展數控機床誤差補償實踐之后，能夠充分強化機床精度，充分提高產品質量。

5 ?誤差補償應用比較

另外，還可以借助程序補償、機械調整以及其他方法對機床反向間隙誤差進行補償。基于相同試驗條件，三種方法的補償效果存在一定差異。

結合實驗數據對比、分析經濟型機床，對經濟型機床生產各種精度零件過程中反向間隙的測量方法和補償方法，見表1。

在機床控制加工精度方面，誤差補償屬于關鍵方法，尤其在封閉曲線加工方面具有較大意義，在加工實踐中應該檢測以及補償機床中所有坐標軸反向間隙。通過實驗研究發現，開封閉曲線加工互動式，相比于不選擇補償方法，選擇誤差補償能夠降低90%的曲線誤差[6]。

機械補償方法并不會對加工程序編寫造成影響，基于特定范圍中具有良好補償效果，然而也具有較大局限性，具有較高的操作要求，無法進行定量補償。懲處補償法具有良好效果，然而此種方法會導致編程復雜性增加，在相關人員的工藝制定以及程序編寫能力方面的要求較為嚴格。系統補償法首先對反向間隙進行測量，之后借助科學計算方法獲得補償值，最后進行數控坐標補償系統輸入，在現階段半封閉式機床滾珠絲杠間隙控制的補償方案中具有良好優勢。

6 ?強化數控機床的進給系統定位精度合理性以及必然性

以現階段實際情況分析，研究人員還需要深入研究以及仔細分析數控機床的進給系統定位精度，進給系統精度會對數控機床整個生產環節產生嚴重影響，進給系統的精度相對較高，也可以充分提升數控機床的整體性。研究人員對系統定位精度展開檢測工作，獲得相應情況信息，可以對系統誤差源進行有效確定，另外進行有效分析，能夠對誤差發生原因進行有效確定，之后可以采用針對性措施有效控制誤差問題，另外，對進給系統精度進行充分強化，開展實踐工作時，合理運用研究成果，進而對研究成果穩定反證。同時，研究人員應該根據誤差實際數值情況，科學制定誤差補償措施，進而充分提升數控機床整體工作性。主要操作步驟如下：第一，在數控機床工作時，并形成誤差之后，應該借助理論知識分析誤差數值。第二，對進給系統中所有坐標軸相關闡述進行反復修正，另外，逐步對數值展開修正，進而可以充分提高數控機床定位精度。

7 ?結語

在未來一段時間中，采用何種方法構建健全、具有科學性的數控機床誤差模型，同時以此為基礎深入研究各種類型機床，之后設計與開發低成本誤差檢查以及補償技術，是現階段相關人員應該重點關注的方向。在數控機床中，為了充分減小誤差，進行合理控制與科學補償是最有效途徑，在充分控制精度基礎上，有效補償機床誤差，才可以充分保證實際生產效果。在開展補償工作時，可以根據工件具體精度要求科學選擇百分表以及千分表等測量方法，并綜合確定系統補償以及機械調整等補償方法。

參考文獻：

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[2]趙練，梅向鋒，曹守正，王友志，程志新.測頭在加工中心位置度補償領域的應用[A].中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）.2018中國汽車工程學會年會論文集[C].中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）：中國汽車工程學會，2018：5.

[3]王永青，吳嘉錕，劉闊，等.數控機床精度保持性的定量評價與誤差敏感度分析[J].機械工程學報，2019，55（05）：130-136.

[4]王寧，劉麗冰，江燁，等.CNC加工動態基準視覺檢測新工藝研究[J].制造技術與機床，2020（02）：115-119.

[5]王幗媛，張忠欣.坐標測量系統精度提升技術研究[A].中國航空工業集團有限公司防務生產與保障部、中國航空工業技術裝備工程協會.2019航空裝備服務保障與維修技術論壇暨中國航空工業技術裝備工程協會年會論文集[C].中國航空工業集團有限公司防務生產與保障部、中國航空工業技術裝備工程協會：《測控技術》雜志社，2019：4.

[6]劉巍，李肖，李輝，等.基于雙目視覺的數控機床動態輪廓誤差三維測量方法[J].機械工程學報，2019，55（10）：1-9.