機床加工中的精度補償技術

郭宏杰，孫敬陽，王曉楓，張久志

(偉本機電設備(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

機床加工中的精度補償技術

郭宏杰，孫敬陽，王曉楓，張久志

(偉本機電設備(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

以數控機床加工技術為基礎，對機床在線測量系統進行了研究，在分析機床加工中由于溫度的變化對主軸、夾具的變形產生的影響以及切削刀具的磨損等，造成的加工件尺寸精度誤差的問題原因，提出了機床加工中進行精度補償，通過在線測量并與工件定位基準進行比較，同時把對比后的數據反饋給機床數控系統，經過機床數控系統及時地進行補償糾偏，保證了產品的加工質量，提高了機床的工作效率。

數控系統；機械加工；精度補償

0 引言

隨著制造業的快速發展，對機床加工技術提出了更高的要求。提高機床的加工精度，保證零部件品質、降低成本，實現高精、高速、高效的自動化生產成為各零部件制造廠家不斷追求的目標，機床加工的自動在線測量、自動精度補償是理想的加工設備選擇之一。

傳統的加工機床主要靠人的技能來保證產品質量，它無法實現全自動化的加工生產，無法實現在線測量、自動精度補償，只能在工件切削后，機下精度檢測，根據檢測結果調整機床上的切削刀具，再加工、再檢測……，直到工件精度檢測合格，這種加工檢測方式，既浪費生產工時，增加了制造成本，又受制于人為因素，影響產品質量。對于機床的溫升、刀具的磨損、夾具的變形等得不到有效地監控。

隨著數控技術的發展，先進的數控技術與數字測量技術相結合逐步地應用在數控機床上，數控機床加工愈來愈多地應用了在線精度補償技術。應用精度補正元件測頭、位置傳感器及光柵尺，實現了機床上直接檢測、信息反饋及精度自動補償，使機床一次性加工出高質量產品。

測頭、位置傳感器及光柵尺是組成機床精度補償系統元件之一。本文重點研究測頭在加工機床中精度補償的應用。

1 主軸進給方向臺階面半精與精加工精度補償

以精銑缸蓋底面為例，通過測頭直接檢測已加工面，可以修正主軸變形伸長及夾具在該方向上變形的誤差。使主軸進給方向只能達到±0.15mm/500mm穩定加工精度得到提高，經過測頭補償技術的應用，消除主軸變形伸長及夾具變形傾斜的誤差，在主軸方向達到了±0.025mm/500mm的穩定加工精度。

使用方法：用精銑刀第一次試切工件，去除部分加工余量→測頭進給檢測試切后的工件面→測頭退回并記憶變量值△1→測頭進給檢測工件半精加工表面→測頭退回并記憶變量值△2→與加工時的理論坐標信息比較并補償修正→用精銑刀以試切面為基準，加入切入補正量精銑工件面至成品尺寸，見圖1。

圖1 主軸進給方向臺階面半精與精加工精度補償

補償設計要求：測頭工序測量記憶補償量的時間與實際補正的加工工序的時間之差要限制在短時間之內(<10min)，避免時間間隔過長產生的溫差變化不一致，影響已測量的補正量；補正量的公差帶一般設定為0.4(±0.2)，超出此范圍時，測頭異常報警；與上次補償量相比的限定值一般為0.1(±0.05)，超出此范圍測頭報警；程序設定中測頭補償量保存次數一般為1次。

2 主軸進給方向精加工精度補償

以缸體精銑頂面為例，因溫差變化而導致機床主軸部件變形、夾具變形以及刀具磨損等原因影響加工精度時，缸體成品的加工精度就很難滿足制造廠家圖紙的工藝要求，在主軸進給方向只能達到±0.15mm/500mm的穩定加工精度，因此多數國內發動機缸體生產廠家仍然將發動機缸體頂面、缸孔及止口精加工組合機床列為需要引進的進口設備；經反復研究試驗，利用測頭的精度補償技術，實現了自動在線測量、及時糾正補償主軸變形伸長及夾具變形傾斜的誤差，使機床主軸方向達到了±0.025mm/500mm的穩定加工精度。

使用方法：測頭進給接觸夾具上的測量基準塊→測量的坐標信息記憶→與理論坐標信息比較并補償修正。見圖2；

圖2 主軸進給方向精加工精度補償

補償設計要求同上述“主軸進給方向臺階面半精與精加工精度補償”中的補償設計要求。

3 孔加工精度補償

類似缸體凸輪軸孔一類的孔的精加工，常常用測頭直接檢測精加工后的孔的內表面，可以控制加工孔的位置，也可以檢測精加工孔的直徑誤差，在超出直徑設定公差范圍時異常報警。經過測頭精度補償技術的應用，消除主軸變形伸長及夾具變形的誤差，可達到位置尺寸±0.05mm/500mm的穩定精度，并可通過及時更換刀具，確保加工孔的直徑精度。

使用方法：測孔的位置時：測頭進給檢測基準孔(45°)上內園表面上的點①與基準孔(225°)上內園表面上的點②→測頭退回，記憶及反饋，計算出①與②點的中心點a→測頭從a點檢測進給基準孔(135°)上內園表面上的點③與基準孔(315°)上內園表面上的點④→測頭退回記憶及反饋，計算出③與④點的中心點b→通過b點的坐標位置與加工時的理論坐標信息比較并補償修正。具體見圖3(測頭直徑按∮6)。

孔直徑補償的使用方法：接上述測孔的位置步驟，之后，從b點測頭進給檢測基準孔(45°)上內園表面上的點⑤與基準孔(225°)上內園表面上的點⑥→通過計算⑤、⑥點之間的尺寸與③、④點之間的尺寸的平均值與理論尺寸信息比較判斷尺寸是否超差(注意測孔的直徑時，測頭要定期在基準環規上進行校對)。具體見圖3(測頭直徑按∮6)。

補償設計要求：孔徑變化量的公差帶一般設定為0.05(±0.025)，超出此范圍報警。其余同上述“主軸進給方向臺階面半精與精加工精度補償”中的補償設計要求。

圖3 孔加工精度補償

4 多孔精加工精度補償

在三軸有光柵尺的臥式加工中心上加工缸蓋、缸體的定位銷孔時，定位銷孔位置精度可達到±0.05mm/500mm，由于光柵尺并不能消除主軸變形伸長及夾具變形的誤差。為了修正主軸變形伸長和夾具的變形誤差，確保工件定位銷孔位置精度的穩定性，同樣采用測頭測量及補償技術，亦達到了精度穩定的良好效果。

圖4 多孔加工精度補償

使用方法：測頭進給檢測基準塊X方向上的點→測頭退回記憶變量a→測頭進給檢測基準塊Y方向上的點→測頭退回記憶變量b→換刀加工相關孔時與各個加工時的理論坐標信息比較并補償修正。具體見圖4。補償設計要求同上述“主軸進給方向臺階面半精與精加工精度補償”中的補償設計要求。

5 結束語

在數控機床利用精度補償元件的檢測功能，數控加工機床在加工程序中：自動檢測刀具的磨損量，及時在線補償；可快捷地測量出每個安裝在工作臺上的工件的位置；附帶數控轉臺時，還可自動找正工件基準面，自動完成諸如基準水面的調整，工件坐標系的設定等工作。

機床加工使用的測頭、傳感器、光柵尺等多種精度補償技術中，測頭以其功能獨特、安裝簡單、結構緊湊、檢測直接、補償精度高等特點，逐步應用于機床精加工中有尺寸精度要求的重要臺階面精度補償、重要平面的精度補償、與前序高精度孔有嚴格位置精度要求的高精度孔的位置精度補償及孔徑檢測等。隨著數控技術、自動檢測技術以及軟件與網絡等新技術的開發與應用，測頭等元件的精度補償技術將在機床加工中使用的更為廣泛，不僅提高了產品加工質量和加工效率，而且對推進加工測量一體化技術的發展具有深遠的意義。

[1] 黃長藝，嚴普強.機械工程測試技術基礎,(第2版)，[M]，北京:機械工業出版社，2004

[2] 聞邦椿.機械設計手冊(第5版)[M].北京:機械工業出版社,2010.

[3] 左為恒，周林.自動控制理論基礎，[M]，北京，機械工業出版社，2007

[4] 劉黨生.金屬切削原理與刀具，[M]，北京，北京理工大學出版社，2009

[5] 李鵬.加工中心定位誤差的設計與補償. 組合機床與自動化加工技術[J],2012(6):20-24.

[6] 屈保中.面向高速主軸的接觸式檢測系統的設計與優化.組合機床與自動化加工技術[J]，2011(12):78-80,84.

[7] 馬躍.精密加工中心主軸熱誤差測量技術的研究.組合機床與自動化加工技術[J]，2011(9):47-50.

[8] 俞洪斌.數控機床中螺距誤差補償原理及測量方法研究. 組合機床與自動化加工技術[J].2008(1):42-46.

(編輯 李秀敏)

The Precision Compensation Technique During Machining

GUO Hong-jie, SUN Jing-yang, WANG Xiao-feng,ZHANG Jiu-zhi

(Weiben Mechanical and Electrical Equipment (Dalian) Ltd., Co. Dalian Liaoning, 116023 China)

Based on the numerical control machine tool processing technology, an on-sline measuring system of machine tool has been studied. On the basis of analysis of the effect of temperature variation during machining on the deformation of spindle and fixture, as well as the reasons that cause accuracy error of machined part dimension, such as the wear and tear of cutting tools, a technique to undertake precision compensation when machining has been proposed, i.e. by means of on-sline measurement and comparing with the part positioning durum, and simultaneously feeding back the compared data to the machine’s numerical control system, the NC system compensates and rectifies the deviations in good time. Therefore, the machining quality of products is ensured, and the machine working efficiency is improved.

numerical control system;machining;precision compensation

1001-2265(2014)05-0133-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.035

2014-01-02;

2014-02-17

郭宏杰(1964—)，女，內蒙古赤峰人，偉本機電設備(大連)有限公司工程師，主要從事組合機床及自動化成套裝備的設計工作，(E-mail)dlwecangroup@163.com。

TH161;TG65

A