數控技術在機床定位精度監測及補償中的應用

黃東

（廣東科學技術職業學院，廣東 珠海 519090）

自動化技術催生了高精度機床，尤其是數控（Numerical Control，NC）機床。其定位精度對產品外形質量起到了關鍵影響作用，所以要想提高產品質量，不可忽視對機床的優化設計。當前，影響機床定位精度的影響因素眾多，特別是在機械行業普遍應用數字控制技術后，自動化控制機床系統的初始參數設計和材料選取成為至關重要的兩項因素。本文從數字控制技術角度展開討論，通過分析傳統機床定位的影響因素，逐個攻破，期望達到一個滿意的結果。

1 數字控制技術

數字控制是一種借助數字、字符或者其他符號對某一工作過程進行編程控制的自動化方法。數控，顧名思義，就是計算機控制設備操作的指令是以數字形式的信號表示的。在數控技術中，機器設備需要依據數字控制指令（也稱數字化信號）設定的程序進行工作。在此過程中，許多參數和動作都是依據預先設計提前定好的，一般不容易出現差錯。在具體生產過程中，只需要啟動機器設備，設備就會按照中控系統指令開始運行，在理想環境下，自動化設備往往能達到良好的預期效果，順利完成既定目標。

數控機床是一種采用計算機，利用數字進行控制的高效、能自動化加工的機床，它能夠按照國際或國家，甚至生產廠家所制造的數字和文字編碼方式，把各種機械位移量、工藝參數（如主軸轉速、切削速度）、輔助功能（如刀具變換、切削液自動供停等），用數字、文字符號表示出來，經過程序控制系統，即數控系統的邏輯處理與計算，發出各種控制指令，實現要求的機械動作，自動完成加工任務。

1.1 數字控制技術的優點

在被加工零件或加工作業任務發生變化時，數字控制系統只需改變控制的指令程序就可以實現新的控制。所以，數控機床是一種靈活性很強、技術密集度高和自動化程度很深的機電一體化加工設備，非常適合企業中小批量生產產品，也是柔性制造系統（Flexible Manufacturing，FM）中不可或缺的加工單元，應用范圍非常廣泛，在中小企業生產廠家和計算機集成制造方面扮演著重要的角色，是當前制造業發展的一項重要成果。

（1）靈活性強。數字控制技術指令程序具有豐富性和多樣性，機床在執行不同的加工任務時，可以根據不同的數控指令靈活轉換任務模式，例如，切換運行路徑、更換加工模具、調整加工時間、替換制作材料等，數控機床在多方面都體現了不同程度的靈活變化，比人工轉換任務更加靈活。

（2）技術密集度高。數字控制技術集成了多種高新計算機技術，例如，伺服驅動系統、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、數字傳感器、3D打印技術，等等。這些技術對數控機床的革新與發展起到了重要的驅動作用，是數控機床不斷智能化且性能逐步優化的有力保證，是當前智能化生產背景下數控機床發展的必備工具與條件。

（3）自動化程度深。數控技術顯著特點之一就是自動化。自動化控制機床的優點是運行路徑較為靈活，工作目標自動確認，其內置的自動檢測裝置對進料的溫度、質量、體積、濕度等關鍵指標參數能自動感應，并與設定的參數指標實時進行對比，當達到目標參數時，便能自動進入下一道處理工序或停止運行，對較好地完成既定任務有良好的效果。

1.2 數控技術存在的不足

基于數控技術的機床也存在一些短板，例如，高度依賴計算機程序控制命令、需要定期校準機床位置精度、容易受到外部因素干擾、監測參數易產生誤差等。

（1）高度依賴計算機程序控制命令。數控機床的任務安排就是計算機程序，計算機程序的設計是依據一定的實踐綜合設計的，宏觀上較為通用，但對于一些對位置和動作精度要求較高的設備操作，則容易產生誤差。如果設定操作指令時，沒有綜合充足的樣本實踐數據，綜合參數設置得不夠精準，缺乏多樣的設備參數，設備就容易出現發生運行故障。此外，機床設備操作效果也可能受到加工材料的性能影響，對于一些硬度較大的金屬材料或復合材料，原有的參數可能就無法按照預期滿足加工的力度或切割要求，使得機床加工時動作發生遲滯，牽一發而動全身，后續的工序也相應受到影響，進而使得最終產出的產品外形達不到質量標準，影響產品質量，給生產企業造成較大損失。

（2）需要定期校準機床零件位置。機床長期運作過程中，除了受到加工材料硬度的影響，還容易受到自身損耗的負面阻礙。這是因為機床長期運作，各樞紐連接部位發生摩擦，會造成設備自身材料的損耗；安裝的固定零件發生松動，也會影響機床的穩定性和定位精度。因此，數控機床也無法擺脫傳統機床的弊病，仍然需要定期檢查和定期潤滑，減少物理損耗，定期恢復原位，保證加工錨點位置精確。

（3）受生產車間環境影響。生產車間環境復雜，各項電氣設備較多，影響數控機床接收信號指令的因素種類繁多，具體而言，主要有電磁波干擾、動力電網電壓波動干擾和大電感干擾。車間電磁波主要來源于電火花、高頻電源和振蕩電路。這些因素產生的電磁波能量巨大，在空間傳播時會作用于數控機床，干擾信號傳輸，是信號傳輸不暢或信號變化，導致機床無法正確接收控制指令信號，引發錯誤動作。電力電網電壓主要表現為超壓或欠壓。數控機床輸入電壓范圍較為固定，如果電壓超出指定范圍，則會使數控信號燈失靈，導致系統信號傳輸發生錯誤，甚至觸發告警系統。生產車間常見的電力工具會產生一定的干擾脈沖，這類脈沖值達到頂峰時可能會影響機床常規運行，更有甚者，會導致PLC停止運作，自動關停設備。

2 數控機床定位精度影響因素

傳統機床定位設計，通常考慮的是理想無干擾環境下機床運行的參數和成效。數控機床位置精度主要包括定位精度、重復定位精度和反向差值三個指標，其測量工具主要有線紋尺或步距規、電子測微計、準直儀和激光干涉儀等。如圖1所示，來自激光頭的光束進入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束；一束光（稱為參考光束）被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光（稱為測量光束）則穿過分光鏡到達線性反射鏡2；然后，兩束光都被反射回分光鏡，重新匯合后回到激光器，激光器內的探測器辨識兩束光之間的干涉。在實踐中，機床定位精度會受到諸多不可見因素的影響，例如，進給系統動態參數設置錯誤、機床自身或加工材料熱誤差、機床動作導軌幾何誤差。

圖1 激光干涉儀線性測量原理圖

2.1 進給系統動態參數設置錯誤

進給系統是數控機床運作的樞紐，可將其視為控制設備中的一階系統。進給系統的動態參數如機床工作臺的質量、阻尼、機械剛度和摩擦力等都與中控系統指令的動態特性有著密切的聯系，深刻影響著進給系統運行的效率和準確性。以機床工作臺的摩擦力為例，當摩擦力超出既定動態參數范圍，一旦出現任何超出系統預先設計的動作情況，設備動作可能發生延時或提早進行，以致原有的系列動作指令都接連延誤，數控機床設備就必然會出現故障。這些故障包括但不限于設備停止運行、設備運行路線偏離、產品變形、產品質量下降或變異，嚴重的還會引發設備巨大損耗以及產品材料損耗，延誤交貨日期乃至引發人身傷害。

2.2 熱誤差

呂正指出，電磁波干擾受較多因素影響，如電火花、高頻電源、振蕩電路等。工廠機器設備在運作過程中產生的電磁波能量較強，這種較強的電磁波會通過空間傳播作用于機床，電磁波的能量較大，嚴重的可能會引發機床故障。摩擦產生的電火花也可能燒毀加工材料或引發機床設備熱變形，影響數控機床定位精度。

2.3 導軌幾何誤差

導軌的誤差主要體現在其幾何形狀方面。直線度是數控機床定位精度的重要影響因素，常見故障是導軌中部拱起，出現直線度誤差，例如，運動產生的誤差導致導軌變形，與激光干涉儀理論測量值存在差異，進而直接影響刀具進給的位置精度，影響產品外形規格，無法達到質量標準。

3 數控技術在機床定位精度監測及補償中的應用

數字控制技術綜合多項高精技術，能夠較好地監測機床定位是否精準，且對于傳統機床定位誤差有一定的補償作用。

3.1 精準弱化機床定位干擾

（1）安裝濾波器。當前，新型數控機床設備中常會安裝濾波器。濾波器的作用在于其可以借助低通濾波或者直流濾波實現對干擾輸入及信號輸入輸出時電磁波的抑制，弱化干擾信號，強化數控信號指令，補償傳統生產環境對數控信號的削弱，提升信號傳輸的準確性。

（2）設置接地系統地線。系統底線是在新系統參考電位線中通過共同參考電位而連接形成的，其能夠基于工作環境需求與不同位置連接。此外，這種方法具有良好的抗干擾效果，且支持多位置連接，只需要將設備與接地系統連接即可實現。

3.2 消除殘余應力，強化導軌性能

數控機床運行加工過程中，會因熱實效和振動實效產生冗余應力。這些冗余應力導致加工鑄件受熱過快，引發零件變形。解決方式是以室溫為最低的溫度指標加熱鑄件，加熱的速度要均勻，不可太快，而是要緩慢、均勻地進行，目的是使鑄件均勻受熱，目標溫度參數范圍在550～650℃。保溫約6h左右，才能根據標準作降溫處理，直至鑄件溫度降至150℃方可出爐。消除振動時效的方法是對工件施加定量的附加變應力，確保附加應力與參與應力的參數大小，如果二者相互疊加超出材料承受范圍后，工件自身會形成一定的反應，這在一定程度上能對工件內部的參與應力起到緩釋或降低作用，對導軌的形變有一定的協調作用。同時，這也是一種強化導軌精度的方式。

4 結語

傳統機床定位存在的系統誤差、熱誤差、導軌幾何誤差在數控技術的介入下，得到了有效監測和有針對性的補償。由此可以認定，數控技術對機床定位精度有較好的監測和補償作用，能有效改善機床定位精度問題，提升刀具進給位置準確性，協調機床工作臺動作路徑與激光導軌的一致性，緩解現有機床的摩擦過熱變形問題。由于數控技術仍在進一步研究中，基于數控技術的機床還有相當一部分問題尚未得到深入挖掘和解決。在肯定數控技術對智能化、自動化機床定位生產的基礎上，未來，還將持續對數控機床進行研究，以求更好地促進數控技術與機械生產的融合發展，提升產品質量，為機械行業發展盡綿薄之力。