機械數控機床位置控制及誤差補償分析

王霞

摘 要 在現代工業不斷發展的過程中，實現全機械化的生產應用不僅有利于控制生產過程中的人工成本，更有利于實現精準化的數控生產。機床加工生產的過程中會受到環境、設備等多方面因素的影響，尤其是在零件的定位方面，必須要充分考慮系統誤差對產品加工質量帶來的影響，通過誤差補償來優化其性能。本文通過分析當前機械數控機床位置控制的要點與誤差補償的重要性，結合產生位置誤差的主要原因，提出了提升誤差補償的有效對策，希望能為相關行業的發展提供有益參考。

關鍵詞 機械數控機床 誤差補償 位置控制 伺服補償

中圖分類號：TG653 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）03-0108-03

機械數控加工是指利用機床設備對待加工原材料進行削切處理的一種新模式，主要通過數字控制的方式向加工設備傳遞操作指令，可以實現無人化、自動化的加工生產。在機械數控生產過程中，零件的加工精度與數字控制傳輸過程中的參數設置有密切的聯系，夾具、刀具的定位調節必須要保證位置的精確性才能夠實現精密化的機械零件生產。為更好地保障位置信息的準確性，針對系統性的誤差可以通過補償處理的方式進行還原，使補償量與誤差量能夠恰好保持一致。

1 機械數控機床運行過程中的位置控制

在機械數控機床的加工運行過程中，主要是通過提前編設好的程度完成對刀具、夾具的操作響應，其中的定位環節對于整個產品的加工質量會產生極大的影響，一旦出現了位置偏置的問題就會導致刀具削切加工的位置與理論計算的位置不一致的問題，在后續的組裝過程中會形成一定量的材料損耗。機械數控機床的運行過程主要包括了確定刀具、調整吊具、夾取材料、削切處理等不同的環節，其中有很多過程都涉及到了位置確定，這也反映出了定位工作對于機械加工產品質量的重要影響。

2 加強對機械數控機床位置誤差補償的重要性

在機械產品逐步向精密化發展的過程中，對其零件生產的精度要求也在不斷提升，一些機床系統性的加工誤差會直接影響到后續的產品組裝或二次加工，容易造成性能不穩定或誤差累加的問題。引起機械數控機床位置誤差的原因較多，且在削切加工的過程中存在許多運動性的誤差，需要通過實時監測與動態調節的方式才能夠予以消除，這就給設備的誤差補償工作帶來了一定的困難性，必須要明確產生定位誤差的主要原因，才能夠確保使用對應的方式進行有效調節，使機械加工行業不斷向精密化、數字化的方向發展。機械數控機床的運行精度要求較高，且在對金屬材質的原料進行加工處理時會出現一定的形變情況，在長時間應用中的形變累積會產生較大的精度誤差，必須要做好補償處理才能夠有效延長機床設備的使用壽命并提升加工產品的質量。

3 產生機械數控機床位置誤差的原因分析

3.1 加工原理誤差

原理性的誤差主要是由于技術人員對機械數控機床的運行指令編制存在不適配的問題，特別是對于一些操作模型、理論等與機床操作存在差異化的情況，不能為了實現流程與理論的一致而隨意變動軟件內容，防止出現實操加工不一致的問題。

一方面，機械加工的理論內容和軟件的程序編制存在一定的差別，特別是設備定位、加工流程等方面有明顯的不足，會直接造成同批次的產品產生誤差等現象，給加工企業造成了一定的經濟損失[1]。

另一方面，技術人員在對機械數控機床進行參數設定時，沒有充分考慮到所使用的刀具、夾具的實際特點，特別是刀頭樣式、尺寸的差異在執行同一個參數命令時所形成的加工結果會有很大區別，必須要重視做好機械數控加工的前期管理工作，確保在執行直線、弧線的削切處理中能夠與理論預設保持一致性。

3.2 環境溫度誤差

許多精密性要求較高的機械數控機床在運行的過程中必須要保證環境的恒溫恒濕，否則很容易造成設備零件的膨脹、損壞等問題，對于產品的加工質量也會產生一定的影響。在大型機械設備的運轉過程中，內部的軸承會不斷轉動摩擦，一些滾珠、絲杠副在運動的過程中會由于受熱膨脹而出現變形誤差的問題，這和制作材料的熱膨脹系數有一定的關系，特別是在絲杠副位置處的膨脹會造成螺紋位置的精度下降，從而引發設備內部的壓力、轉速等的變化，需要通過有效的補償方式來解決。在環境溫度反復變化的過程中，這種絲杠副上的誤差會逐步發生累計，長時間應用甚至可能會造成超過0.02mm以上精度的生產誤差，對于機械產品的質量產生了較大的影響性。

3.3 系統工藝誤差

系統性誤差問題主要是由機床自身的結構特點等因素引發的，特別是在刀具進行削切處理時，由于與原材料接觸點位置在不斷變化，其實際受力情況也會形成相應的變動，給系統的定位響應帶來了一定的干擾，特別是在代加工處存在交錯點的情況下，更容易出現加工誤差的問題。如在部分刀具進行直線切割處理的過程中，隨著接觸深度不斷下降，會出現夾具受力不穩定的問題，很容易給垂直化的直線切割帶來一定的角度偏差。另外，在不同材質的機械加工產品時，給刀具頭帶來的實際受力也會產生一定的影響，特別是對于一些材料厚度不均勻的情況下，會造成削切觸點不一致的問題，若統一采用一種數控程序，就會引發系統性的加工誤差，不利于保證加工產品的精密度。

4 提升機械數控機床位置誤差補償的有效對策

4.1 硬件靜態補償

硬件補償的方式是指，針對機械加工機床本身固有的一些系統誤差問題，可以在原有的加工系統當中增加一個硬件結構，專門對其進行誤差補償，可有效實現位置的糾偏處理。如在部分機械機床的定位當中，由于螺絲、杠桿位置的問題，會在材料定位和刀具定位時形成一個偏差，而通過加裝螺距校正尺的方式能夠對原有的位置形成一個反方向的數據校準，通過增加硬件的副位置處理保證了系統在綜合運行之下可以達到最為精確的理想定位[2]。這種硬件補償的應用只需要經過一次校準調節后就可以實現長時間的生產應用，但由于可調節的誤差只能保持在固定的尺寸，不能實現動態化的校準處理，也會產生一定的應用限制性，一般會和其他的誤差補償方式共同應用以提升工作效率。機械數控機床的實際荷載作用力較大，但由于材料的剛度高，能夠較好地對抗這種形變問題，在進行系統的硬件設置時應該做好預應力的調整，優化設備零件的安裝，使其能夠在恒載的狀態之下完成加工生產，更好地補償系統性的誤差量。

4.2 系統混合補償

混合補償對于消除不同原因引起的系統誤差有較好的處理效果，將系統的動態檢測補償與硬件系統補償共同作用，對機械數控機床的誤差補償效果更優，可以實現更加精密的零件加工處理。在混合補償的系統當中，有專門用于進行定位檢測與追蹤的傳感元件，能夠根據不同加工狀態下的刀具、夾具和原材料的位置進行動態追蹤，通過校準補償的方式實現精確定位后再啟動削切加工的功能，并在加工的過程當中也實現全程定位與補償。動態補償對于傳感器的靈敏度、通信系統的傳輸效率等都有一定的要求，特別是在加工過程中的零件受力、局部受熱和材料形狀等都會影響實際定位與補償的數值，需要有多個靈敏度較高的探測器共同輔助完成補償作業，并保證數據反饋與處理的精確性[3]。混合補償的方式在前期建設的投入成本偏高，實際應用范圍具有一定的局限性。

4.3 伺服系統補償

伺服補償技術是目前機械數控加工領域當中最為常見的一種位置誤差補償處理辦法，能夠根據機床與原材料在加工過程中的運行軌跡進行實時的補償處理，主要應用了機床當中的軸向設備來實現。伺服系統中的傳動裝置是一個軸向結構裝置，能夠根據系統發出的補償調節參數要求實現不同方向上的傳動運動，通過電機帶動確保了正向、反向兩個維度的參數補償有效實現，坐標軸的調節精度為0.1um。在伺服系統對加工位置的實時校正的過程中，要重視對電機轉速的調節控制，確保能夠和機床加工的尺寸范圍保持適配，避免超調問題的出現。電機在轉動過程中主要依靠機電系統發出的脈動進行步進處理，二者的響應呈現出正比關系，能夠實現更加精細化的調節處理[4]。部分機械數控機床中使用的伺服系統為閉環結構，在進行誤差補償處理時主要是通過將機床的實際位移數量和指令數據進行有效對比，一旦存在誤差量會再次發出補償指令消除位移偏差。還有一些伺服補償系統中使用的位置檢查元件是依靠光電轉換的方式來實現，即當加工零件的邊界未達到指定位置時，機床中的定位系統無法檢測到光信號的遮蔽，則會通過軟件系統進一步調節其位置，確保光電脈沖的數據精確有效。在對伺服系統進行參數調節的過程中必須要關注電機和工作臺運行參數之間的適配性，特別是在角轉速上，差異控制和誤差數據之間呈現出了正相關的情況，必須要做好調試和優化。

4.4 軟件系統補償

由于在機械數控機床的運行過程中主要是依靠軟件系統的控制使機床和操作臺等完成指令操作，在實現位置的誤差補償過程中就可以考慮通過優化調節軟件代碼的方式來具體落實。在機械數控機床中使用的軟件語言為G語言，在操作指令的原語言結構中可以增加補償模塊，使其在每次運行的過程中都能夠根據反饋數據值自動調取系統補償來實現位置的精確優化[5]。如不同類型的刀具其長度、廓形等存在一定的差別，為有效消除這類系統性誤差，就可以通過增加G代碼中刀具類型檢測與補償的方式來實現，其中的G43和G44刀具在完成加工指令時會自動加上長度差別來校準其加工位置。代碼優化的方式針對一些異形的零件加工具有良好的應用優勢，可以根據零件的幾何形狀來確定定位時的參考邊，確保同一批次產品在進行加工生產時都能夠保持統一精度。

4.5 坐標偏置補償

偏置補償的方式是從機械數控機床定位邏輯方面進行的優化處理，即在加工的過程中提前設置好系統坐標位置，只有當代加工的原材料放置在規定的坐標位置后才能夠進行削切加工處理，在零件位置出現偏置后，系統能夠將預設坐標與實際坐標地展開數據對比與分析，通過發送補償指令的方式使其位移到預設位置。這種偏置補償的方式可以實現更加精確的定位，補償應用中的自動化響應程度較好，還可以通過坐標原點更改修正的方式來適配不同批次的機械加工應用[6]。在偏置補償的系統當中，需要有XYZ三個軸向結構來完成移動補償的指令響應，可以通過固定坐標一端的方式來簡化坐標分析的過程，但需要注意在激烈的晃動、撞擊影響之下會出現坐標定位不準確的情況，必須要保證地基結構的穩定性。

4.6 機械處理補償

針對由于機械性問題而引發的誤差和故障問題，需要通過定期調試、檢修的方式進行有效解決，并更換生產制造過程中使用的潤滑劑，使其能夠更好地實現冷卻、潤滑的作用。如在絲杠副運動的過程中螺紋處的摩擦生熱情況較為嚴重，高質量的潤滑劑不僅能夠較好地保證機械設備運行的順暢度，還可以達到降溫的目的，增加絲杠副螺紋的邊緣位置和空氣之間的接觸，從而達到降溫冷卻的目的。在機械設備的調試檢修過程中，要加強對軸承壓力的控制，避免擠壓過緊給生產加工造成影響，可以適度減少滾珠位置的受力，使產品的機械處理更加順暢安全。在定檢的過程中若發現出現了累積誤差的情況要及時對其進行調零處理，并充分考慮到設備預張力參數的設定，使其和絲杠軸的直徑、形變量之間形成更好地適配。在絲杠長時間運行的過程中會出現一定的設備磨損問題，特別是在壓力設置不當的情況下會出現螺紋磨損不均勻，整體設備測量精度會有明顯的下降，需要通過定檢分析和零件更換的方式來保證機床的加工質量。

5 結語

總結以上所闡述的內容，要注意針對機械數控機床的誤差問題，必須要通過系統補償的方式予以消除，更好地保障了零件產品的合格率。在處理機床位置誤差的過程中，首先要明確其產生的主要原因才能夠保證選擇方式更具對應性，這對技術人員的專業知識量、產品分析等都有較高的要求，還需要加強實操學習來予以提升。誤差補償既可以從機床設備的硬件系統中進行優化調試，也可以通過軟件監測的方式進行動態補償，在目前的機械產品加工中有重要應用，更有利于實現機械產品精密化發展。

參考文獻：

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