加工中心誤差補(bǔ)償技術(shù)方案的研究

摘要：

本文通過分析國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償存在的現(xiàn)狀，從軟件的誤差補(bǔ)償、幾何及運(yùn)動(dòng)的誤差補(bǔ)償、在線檢測誤差補(bǔ)償技術(shù)三個(gè)方面分析誤差補(bǔ)償。通過三個(gè)方面的分析和了解，進(jìn)一步探究誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ê蛢?nèi)容。

引言：瑞士是最早發(fā)現(xiàn)機(jī)床熱變形并開展研究的國家之一。通過對(duì)坐標(biāo)鏜床進(jìn)行的測量分析，瑞士發(fā)現(xiàn)影響定位精度的主要因素是機(jī)床熱變形。由此開始研究機(jī)床誤差的檢測、建模和補(bǔ)償技術(shù)。目前世界大學(xué)中，美國的密西根大學(xué)、日本東京大學(xué)、德國柏林工業(yè)大學(xué)、日立精機(jī)對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)都是比較有影響力的。我國在20世紀(jì)50年代開始對(duì)誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行研究，直到70年代末，不少研究單位和高校才先后開展此項(xiàng)研究。縱觀國內(nèi)外，數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償技術(shù)在有關(guān)人員的不懈努力下有了較快的發(fā)展。但從目前來看，在國外，數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)并未在工業(yè)中大批量應(yīng)用。在國內(nèi)，誤差補(bǔ)償技術(shù)也僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室范圍之內(nèi)。因此誤差補(bǔ)償技術(shù)和理論還有很大的發(fā)展余地。

1.軟件誤差補(bǔ)償

研究計(jì)算機(jī)誤差補(bǔ)償技術(shù)，以提高機(jī)床的精度和效率是軟件誤差補(bǔ)償?shù)闹攸c(diǎn)。軟件誤差補(bǔ)償具有不需改變加工設(shè)備即可提高加工精度的特點(diǎn)。其方法主要是將辨識(shí)后的誤差參數(shù)送進(jìn)模型中，從而計(jì)算出相應(yīng)的補(bǔ)償量。此種方法因其易于操作、通用性強(qiáng)，適用于開放式的系統(tǒng)中，并可將誤差補(bǔ)償作為一個(gè)模塊在CAD/CAM過程中集成。

軟件補(bǔ)償?shù)倪^程：首先，將從參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，使用加工中心測量數(shù)據(jù)分析軟件模塊進(jìn)行處理、分析。然后在誤差參數(shù)辨識(shí)理論的基礎(chǔ)上用誤差辨識(shí)軟件模塊對(duì)上述處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)處理，辨識(shí)出誤差模型中所需要的誤差參數(shù)。將誤差辨識(shí)軟件模塊處理后的離散的沒有規(guī)律的點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)擬合軟件模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，找到其規(guī)律趨勢。再通過誤差計(jì)算軟件模塊進(jìn)行模型的計(jì)算及簡化，計(jì)算出誤差補(bǔ)償?shù)牧俊Ｗ詈螅瑢?duì)經(jīng)過CAD/CAM集成后生成的NC數(shù)據(jù)利用加工程序補(bǔ)償軟件模塊進(jìn)行修正，最終得到加入誤差補(bǔ)償量的加工補(bǔ)償程序，至此整個(gè)誤差補(bǔ)償過程全部結(jié)束。

軟件誤差補(bǔ)償方法通過修正Nc數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。此種誤差補(bǔ)償方法易于操作、通用性強(qiáng)，特別適合開放式系統(tǒng)。并且誤差補(bǔ)償可以作為一個(gè)單獨(dú)的模塊集成于CAD/CAM中。

2.幾何及運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償

機(jī)床的幾何誤差一般來自機(jī)床的制造缺陷，它包括由于不精確使用零部件造成的誤差及部件間由于裝配過程中所產(chǎn)生的配合誤差，以上是構(gòu)成機(jī)床不精確的主要誤差源之一。幾何誤差的特點(diǎn)可能呈現(xiàn)出連續(xù)性，也可能表現(xiàn)出隨機(jī)性和滯后性。運(yùn)動(dòng)誤差一般指的是需要協(xié)調(diào)按照某一事先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床的部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。運(yùn)動(dòng)誤差在多軸協(xié)調(diào)工作時(shí)就顯得特別明顯。例如在仿形銑和滾削中，線性運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)軸或線性運(yùn)動(dòng)軸和線性運(yùn)動(dòng)軸之間的協(xié)調(diào)一致就顯得特別重要。機(jī)床的幾何誤差和運(yùn)動(dòng)誤差是緊密相關(guān)的，構(gòu)成機(jī)床不精確的基本要素就是幾何及運(yùn)動(dòng)誤差，主要的幾何及運(yùn)動(dòng)誤差有：軸位置誤差；軸直線度；軸滾轉(zhuǎn)、俯仰偏擺誤差；軸輪廓誤差；軸間垂直度。

其中幾何誤差補(bǔ)償采用的控制系統(tǒng)是由微機(jī)、接口板、傳感器和CNC控制器組成。首先利用激光干涉儀測得聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中的相關(guān)部件的幾何誤差，再用HTM建立機(jī)床的幾何誤差模型并且將模型輸入到微機(jī)中，將位置傳感器獲得的機(jī)床托板運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)也通過A/D板輸入到微機(jī)中，最后利用幾何誤差模型計(jì)算幾何誤差值，并且把該補(bǔ)償值輸入到CNC控制器，由CNC控制器對(duì)刀具完成補(bǔ)償控制。使用適當(dāng)?shù)膸缀渭斑\(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償策略，可以有效提高機(jī)床的加工精度。

3.在線檢測誤差補(bǔ)償技術(shù)

數(shù)控加工中心在線檢測系統(tǒng)是由數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、測頭系統(tǒng)組成。測頭安裝在機(jī)床刀庫中，類似普通刀具一樣，可以自動(dòng)調(diào)出并且安裝在機(jī)床主軸上，程序控制測頭進(jìn)行自動(dòng)測量，并將結(jié)果反饋給機(jī)床控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的在線檢測和誤差補(bǔ)償方法是將加工、檢測、誤差補(bǔ)償結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)檢測即序前、序中、序后，避免了因多次裝夾而引起的誤差，較大的減少了輔助的時(shí)間。在各方面有著重要的意義，例如保證了加工精度和工作狀態(tài)、降低了廢品率等等。因此，加工中心的在線檢測誤差補(bǔ)償技術(shù)越來越成為人們關(guān)注的重要焦點(diǎn)之一。

帶有誤差補(bǔ)償?shù)脑诰€檢測系統(tǒng)增加了儲(chǔ)存功能、編程功能、數(shù)據(jù)處理功能，可以把加工中心在線檢測出的誤差模型儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)里，實(shí)現(xiàn)高精度的在線檢測，根據(jù)檢測具體要求進(jìn)行誤差補(bǔ)償。檢測誤差數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)加工中心在線檢測誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，通過控制軟件模型儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)。在系統(tǒng)工作時(shí)，通過碰觸工件測頭獲取檢測點(diǎn)的坐標(biāo)。一般補(bǔ)償矢量為三維，是由于加工中心在線檢測時(shí)測頭與工件為點(diǎn)接觸。通過獲取的坐標(biāo)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的誤差模型計(jì)算出測點(diǎn)各個(gè)坐標(biāo)值的誤差，并修正相應(yīng)的坐標(biāo)值。

先進(jìn)制造系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量保證的關(guān)鍵技術(shù)是加工中心在在線檢測軟件誤差補(bǔ)償技術(shù)。基于模型的軟件補(bǔ)償方法，能在不改變系統(tǒng)硬件的條件下能以較小的投入實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語：誤差補(bǔ)償?shù)难芯恳呀?jīng)經(jīng)歷了長達(dá)幾十年的歷史，目前已經(jīng)達(dá)到了一定的成熟階段。但是以后還會(huì)仍然不斷的產(chǎn)生新的問題，尤其在我國數(shù)控機(jī)床大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用中，還有待于我們有更多的相關(guān)研究人員去進(jìn)一步的研究。以既有效又經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段提高數(shù)控加工中心的加工精度，提高我國的加工中心及制造裝備技術(shù)水平，將我國的數(shù)控加工中心誤差補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展到國際先進(jìn)乃至領(lǐng)先水平。