數控立式加工中心誤差檢測及補償的應用

郭聰聰，王傳洋

（蘇州大學 機電工程學院，蘇州 215006）

近年來飛速發展的數控技術得到了廣泛的應用普及，數控機床的精密程度是衡量一個國家工業化進程水平高低的重要指標。高速發展的數控技術已經集成了計算機算法、微電子電路、自動測量分析、自動反饋數據、自動化控制、信息化處理、等高新科技技術，擁有柔性化生產高、生產效率高、加工精度高、自動化程度高等特點，為實現工業4.0智能制造擔負著至關重要的作用，所以世界各大機床廠家對數控機床的各項精度研究越發深入[1]。

隨著制造業的不斷發展，各行業對加工零件的精度要求不斷提高，進而對數控各種加工設備精度要求也越來越高，作為數控機床中最重要的成員之一，數控立式加工中心由于零件制造、安裝工藝、使用磨損等原因，每臺機器都不可避免一些誤差現象存在。而這些誤差對于機器的各項精度有著嚴重的影響，所以各個設備生產廠家對數控立式加工中心的誤差分析也在逐步的深入。

1 數控立式加工中心的誤差分析

為滿足新的市場需求，很多新型的數控立式加工中心產品被研發生產出來，由于零件精度的不斷提高，市場對數控立式加工中心的精度要求及可靠性也是不斷提升，如何提高數控立式加工中心的精度與可靠性已經成為各大設備生產廠家追求的目標，所以怎樣有效快速地解決數控立式加工中心的誤差問題迫在眉睫。

通常數控立式加工中心的重要組成部分為床身、鞍座、立柱、主軸、工作臺等，各個部件通過線軌和螺桿進行結合組成。在部件結合時每個部件之間都會有誤差產生，部件之間的誤差又表現在以下方面：

（1）數控立式加工中心的零件在加工制造中存在精度誤差，會導致在裝配安裝過程中出現零件尺寸累計誤差及裝配安裝累計誤差；

（2）由于數控立式加工中心鑄件本身剛性不足導致在外力作用下的振動誤差；

（3）數控立式加工中心伺服系統各個伺服軸的剛性，包含螺桿背隙誤差；

（4）數控立式加工中心使用后由于溫升導致的熱變形誤差；

（5）數控系統本身插補的算法誤差；

（6）其他外部環境影響的誤差及測量誤差；

總體來說幾何誤差與熱變形誤差是數控立式加工中心誤差最主要的2個來源。

2 數控機床誤差檢測

當前數控立式加工中心測量誤差的方法主要分兩個部分：

單項誤差直接測量法 應用相應檢測設備直接檢測各種誤差得到分離誤差參數。

綜合誤差測量參數辨識法 測量機器設備的工作區內的指定點的定位誤差，通過數字模型分析和辨識測量點的綜合誤差，用間接的方式得到機器設備各種誤差的離散值[2-3]。

傳統檢測的方法精度不高且效率比較低，自動測量實現起來也比較困難，并且需要的儀器設備比較多，如今比較領先的檢測方法如表1所示[2]。

本文中使用測量精度高、操作較為簡單的雷尼紹鐳射儀測量機床的線性定位誤差。實測圖如圖1所示，雷尼紹鐳射儀使用原理如圖2所示。圖1中所示鐳射儀型號是ML-10，測量精度為0.001 μm。根據國標GB/T17421.2-2000，測得機床X、Y、Z軸的定位精度與重復精度如表2所示。

表1 領先的檢測方法Tab.1 Leading detection methods

表2 測得機床X、Y、Z軸的定位精度與重復精度Tab.2 Measurement accuracy and repeatability of X，Y and Z axes of machine tools

圖1 機床線性誤差實測圖Fig.1 Measurement of linear error of machine tool

圖2 雷尼紹鐳射儀使用原理Fig.2 Schematic diagram of laser monitor

3 數控立式加工中心誤差補償

數控立式加工中心幾何誤差—線性定位誤差，主要包含2個誤差：螺桿螺距誤差及螺桿反向間隙誤差即背隙。所以數控立式加工中心的幾何誤差補償，主要是螺桿螺距及螺桿背隙補償[5]。通過鐳射儀檢測數控立式加工中心線性定位誤差后，本文采用了西門子828D數控系統對數控立式加工中心螺桿螺距和螺桿背隙進行了有效補償。

3.1 螺距補償

本文中所述的數控立式加工中心螺桿螺距補償，就是針對機器各坐標軸間的補償，進行補償并修改坐標軸實際的位置值時要依照與此相對應的補償數值進行補償，數控立式加工中心坐標軸將直接運行此補償值。若補償值是正側坐標軸往負方向運動。由于補償值受不到監視也沒有上下極限值，為規避因為人為過度補償引起坐標軸加速度或者速度高出設定值出現沖擊現象，則應采用較小補償值。反之若選補償值過大，則軸會報警（例：極限值，輪廓監控）嚴重的還會出現機床軸的沖擊或撞擊現象。機床X軸螺桿螺距補償前后所測精度如圖3、圖4所示。

圖3 X軸絲桿螺距補償前所測精度Fig.3 Precision before X pitch screw compensation

圖4 X軸螺桿螺距補償后所測精度Fig.4 Accuracy of X axis screw pitch compensation

3.2 螺桿背隙補償

數控立式加工中心工作時，其系統驅動各部件運動過程中螺桿的運動副之間會留有較小的間隙，這就是螺桿的背隙，由于一般數控立式加工中心都采用半閉環檢測系統，半閉環檢測系統的主軸與進給軸在運行時會因為存在背隙而致使位移量出錯。從圖3、圖4 X軸絲桿螺距補償前后所測精度兩圖中能夠發現：

（1）若背隙為正時，則編碼器檢測位置比部件實際位移要快，以工作臺為例，反應到工作臺上實際就少移動了這個背隙值，這時把這個背隙設定為正補償值，則工作臺的位置就可以到達設定位置值。

（2）若背隙為負時，則編碼器檢測位置比部件實際位移要慢，以工作臺為例，反應到工作臺上實際就多移動了這個背隙值，這時把這個背隙設定為負補償值。

3.3 控制系統補償

數控立式加工中心控制系統補償原理流程如圖5所示。一、輸入幾何變量及熱誤差數學模型等初始化工作；二、采集位移量值；三、依據數學模型計算幾何誤差的位移量值獲得補償值；四、發送補償值到CNC控制器，然后重回第二步循環執行，以此循環對數控立式加工中心的誤差不斷的進行計算與補償[6]。

圖5 系統補償控制原理流程Fig.5 Flow chart of system compensation control

在補償進行過程中，CNC控制器接收到幾何誤差的補償值后，CNC控制器的PMAC控制卡讀入數據，根據補償值針對事先輸入CNC控制器的加工程序的刀具坐標值實行修正，使得幾何誤差得到補償。幾何誤差補償線程在加工開始后即將會被開啟，每隔1 min讀取此位移值，根據讀取的位移值調用函數計算出熱誤差，然后更新PMAC控制卡內的誤差，以此實現了幾何誤差實時的補償[7]，圖6所示為程序補償主軸循圓精度。

圖6 程序補償主軸循圓精度Fig.6 Roundness accuracy of program compensation spindle

3.4 補償效果

數控立式加工中心在進行了螺桿螺距、螺桿間隙補償及系統補償后各軸精度均得到較大改善，補償前后各軸精度對比如表3所示。

表3 補償前后各軸精度對比Tab.3 Comparison of accuracy of each axis before and after compensation

4 結語

本文使用ML-10鐳射儀及球桿儀實現了數控立式加工中心線性定位誤差與系統熱誤差的測量。通過補償數控立式加工中心螺桿螺距和螺桿背隙誤差，實現了數控立式加工中心線性定位誤差的修正補償。并通過使用CNC控制器的PMAC控制卡對系統編程代碼指令實施優化修改，實現了數控立式加工中心幾何誤差的測量分析及補償[8]。分析及補償后發現數控立式加工中心加工整體精度得到顯著提升，補償的效果較為明顯。本文中運用的誤差測量及誤差補償的方法在數控立式加工中心精度探索中具有通用性與廣泛性，對更深層次提升數控立式加工中心的精度跟性能起到重要的深層的研究意義。