數(shù)控機床產(chǎn)生的誤差分析及補償

劉明先

摘 要：數(shù)控機床在當前生產(chǎn)過程中起到不可或缺的作用，其精度是機床性能的一項重要指標，而誤差是會嚴重干擾數(shù)控機床精度的。因此，對數(shù)控機床誤差原因進行了分析，總結(jié)了有針對性的補償方法，從而提高數(shù)控機床的加工精度。

關(guān)鍵詞：熱誤差；螺距；摩擦力；數(shù)控機床

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.112

隨著機床向自動化方向的發(fā)展，在機械制造行業(yè)以現(xiàn)代化技術(shù)為主的先進制造備中，數(shù)控機床是一種穩(wěn)定性強、效率高、精度高的自動化加工裝備，精度是機床性能的一項重要指標，誤差是影響工件精度的重要因素。數(shù)控機床誤差產(chǎn)生的原因是多方面的。本文分析了數(shù)控機床精度誤差的原因，并針對各種誤差出現(xiàn)的具體情況提出了有針對性的解決方法。

1 數(shù)控機床機械變形誤差和螺距補償

數(shù)控機床機械變形誤差主要是由機床結(jié)構(gòu)變形造成，并且是一個較小的固定誤差值，常見于數(shù)控機床主軸、測量臂等變形而造成加工的工件超差。以國內(nèi)某一型號的磨床為例，磨床的砂輪滑架沿Z軸方向運行時，相對X軸方向出現(xiàn)了機械變形誤差。

螺距補償?shù)脑硎遣捎靡淮尾逖a法，擬合誤差曲線，生成一個誤差曲線二維數(shù)組，然后對磨削曲線進行補償，從而消除

機械變形誤差。假設(shè)某次用激光校準儀測量磨床誤差，得到10個點的數(shù)據(jù)為BedCorrection[X1，Y1]…BedCorrection[X10，Y10]。如果有一點為Xm（X1

圖1中的誤差曲線與X軸正相關(guān)，因此需要將誤差曲線與磨削曲線相加，如果是測量臂誤差曲線與X軸負相關(guān)，則需要將誤差曲線與磨削曲線相減，補償后的磨削曲線去CNC。

此外，為了避免誤差曲線在拐點處出現(xiàn)較大的跳躍，可以選擇不同的插補公式或采用高階插補方法對拐點處作平滑處理，防止數(shù)控機床運行中出現(xiàn)電機軸超速或過電流故障。

2 數(shù)控機床熱誤差和溫度補償

熱誤差是由溫度變化對機床軸的運行精度造成的影響，溫度變化通常由環(huán)境溫度變化、刀具發(fā)熱傳導(dǎo)、電機發(fā)熱傳導(dǎo)、傳動鏈運動發(fā)熱、液壓潤滑油溫的變化等引起，針對不同的溫度變化原因可采取不同的改善措施，例如恒溫車間、降低傳動鏈阻力、油溫恒溫控制等，但由于熱誤差產(chǎn)生的原因多，并一直處在變化狀態(tài)，因此上述方法很難達到較好消除熱誤差的效果。

溫度補償是指找出溫度變化與機床軸運行精度誤差之間的規(guī)律，建立合適的數(shù)學模型，然后進行軟件補償?shù)囊环N方法。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，軸在某溫度時的誤差可以看出，在一定溫度時，軸的誤差與軸的絕對位置關(guān)系基本上是一條斜線；溫度不同時，其斜率、零點不同，但都是一條近似的斜線。

軸在不同溫度下的誤差近似曲線可以用圖1中的數(shù)學分解來確定一個數(shù)學關(guān)系式，即：

式（2）中：ΔKx為X軸在位置Px時的溫度補償值；K0（T）為軸在參考點位置時的溫度補償值；Px為軸的實際絕對位置值；P0為軸的參考點位置值；Tanβ（T）為誤差近似曲線的斜率。

如果能夠掌握不同溫度下的近似誤差曲線的斜率和零位誤差的規(guī)律，則可以通過在相應(yīng)軸的適當測量點取得溫度值，再根據(jù)實驗測量值計算出的規(guī)律，生成不同溫度對應(yīng)軸的不同位置需要的誤差補償量，即tempCorrection[T1，ΔK1]…temp Correction[Tn，ΔKn]。用該誤差補償量對磨削曲線進行了處理，補償后的磨削曲線去CNC，從而以軟件補償來減小溫度變化對軸精度誤差的影響。

由于對應(yīng)每一個X軸絕對位置坐標都有一個溫度補償值，因此，溫度補償值引起的軸位置修整必須在一個插補循環(huán)中完成，不能累積。如果溫度補償值過大，則會造成插補軸的速度不能滿足要求，溫度補償算法會根據(jù)主動軸、從動軸、插補周期和補償值大小來計算允許的溫度補償最大速度附加值。當速度超過上限時，自動對主動軸和從動軸進行降速處理，從而在誤差補償?shù)耐瑫r使機床穩(wěn)定運行。

3 數(shù)控機床響應(yīng)誤差和摩擦力補償

機械軸傳動鏈中的齒輪、絲桿、導(dǎo)軌等都存在摩擦力，軸由靜止開始運動時需克服靜摩擦力，靜摩擦力對軸的動態(tài)特性有較大影響，而對于往復(fù)運行的軸，在換向時則是摩擦力影響較大的階段。

圓弧插補時其中一個軸不換向而另一個軸換向，則換向軸的摩擦力對其動態(tài)特性的影響將直接影響到其是否能跟得上圓弧插補的軌跡，所以，摩擦力補償常用于圓弧插補的圓度補償。多數(shù)情況下，軸在整個加速運行范圍內(nèi)的摩擦力是一個變化的值，比如加速度越大，則摩擦力越大，且在克服最初的靜態(tài)摩擦力開始運動時的摩擦力也會越大。因此，常用的摩擦力補償方法為根據(jù)幅度適應(yīng)曲線來確定實時補償值，一般常用的幅度適應(yīng)摩擦力補償曲線如圖2所示。

設(shè)當前加速度為a，當前補償幅度值為Δn，則4個曲線段分別如下。

要確定該曲線中的各參數(shù)，需要經(jīng)過多次測試，包括在軸整個速度、插補半徑范圍內(nèi)作測試，然后根據(jù)測試的結(jié)果經(jīng)計算得出最適合的參數(shù)值。此外，也可以采用常數(shù)值摩擦力補償?shù)姆椒ǎY(jié)合機床的圓度測試功能來進行補償測試，具體操作方法為：①機床正常運行，摩擦力補償不投入；②進行圓度測試，以常規(guī)運行參數(shù)進行；③設(shè)置1個較小的摩擦力補償幅度值和時間常數(shù)，摩擦力補償投入；④進行圓度測試，與步驟②相同；⑤根據(jù)圓度測試的結(jié)果，調(diào)整摩擦力補償幅度值和時間常數(shù)。

圓度測試結(jié)果通常有4種形狀，如圖3所示。

圖3中的“A”為摩擦力補償幅度值過小的情況，“B”為摩擦力補償幅度值過大的情況，“C”為摩擦力補償時間常數(shù)過小的情況，“D”為摩擦力補償時間常數(shù)過大的情況。如果經(jīng)過常數(shù)值摩擦力補償后在整個工作速度與半徑范圍內(nèi)的插補特性較好，則圓度測試滿足要求，摩擦力補償可停止；如果其補償效果不能達到要求，且摩擦力特性與軸的加速特性有關(guān)，則可以采用幅度適應(yīng)方法進行摩擦力補償。

4 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)控機床的精度作為機床最重要的技術(shù)指標，受到了多方面因素的影響。數(shù)控機床產(chǎn)生誤差的原因主要有機械變形、磨損、熱誤差、靜態(tài)響應(yīng)誤差和動態(tài)響應(yīng)誤差等。要想提高數(shù)控機床的加工精度，必須針對誤差原因進行分析，找到合適的誤差補償方法，比如螺距補償、溫度補償、摩擦力補償?shù)雀纳拼胧?shù)控機床進行誤差補償后，能有效改善數(shù)控機床的定位精度和加工精度，使機床滿足制造企業(yè)對加工精度的要求，進而提升企業(yè)的市場競爭能力。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕