數控機床定位精度的檢測及補償技術研究

黃達

摘 要：本文針對數控機床定位精度檢測與補償技術，詳細分析了數控機床定位精度檢測與補償技術手段，并對其中的關鍵技術進行了全面研究。

關鍵詞：數控機床;定位精度檢測;精度補償技術

前言：數控機床是現代工業生產的關鍵，其生產性能在一定程度上影響了工業生產質量。數控機床定位精度主要是指機床各運動部件在數控裝置控制下所能達到目標位置的精準精度，隨著社會生產對精度的要求逐漸增加，如何進一步提高數控機床的定位精度已經成為人們重點關注的問題。

1.數控機床定位精度檢測方法

數控機床給進系統的定位精度檢測是進一步增強機床整體生產能力的基礎性工作，在日常生產階段通過了解系統定位精度劃分情況，能夠避免各種低質量部件出現，具有經濟價值。

1.1傳統精度檢測技術

在數控機床定位精度檢測中，傳統的精度檢測方法所需要使用的工具包括千分表、步距規、精密水平儀、金屬線紋尺等。有學者在研究中，通過精密線紋尺與讀數顯示鏡實現了對數控機床的定位精度與重復定位精度的檢驗，雖然最終結果發現這種傳統的檢測技術在精度方面還存在一定的不足，但是具有成本低、操作簡單等優點，滿足大部分企業的應急檢驗要求[1]。除此之外，可以通過三維步距規，結合數控機床的空間誤差模型，將三維體積位置測量的思想納入到常規測量工作中，通過分步檢測數控機床與指定離散位置之間的誤差，可以基本判斷整個數控機床的幾何誤差情況，是一種可學有效的檢測技術。

1.2基于現代設備的精度檢測技術

1.2.1激光干涉儀測量

雙頻激光干涉儀基于多普勒效應，通過發射光與反射光之間的多普勒頻儀來確定計算機誤差。在精度檢測期間，不同組件之間的相互配合可以有效測量機床的垂直度、直線度與至直線軸等，并檢測中其中的細微誤差。從技術角度來看，激光干涉儀測量技術能夠在特定條件下完成對機床精度的重復定位，其理論上的定位精度達到了0.1 。但是在應用期間需要注意的是，該技術只能檢測直線運動的精度誤差，并且在測量期間存在光路調整難度大的問題，不恰當的安裝方式可能會造成誤差，降低了檢測精度，不滿足車間廣泛使用的要求。

1.2.2平面光柵測量技術

平面光柵測量技術在實際上屬于非接觸式測量模式，通過在水平的雙轉臺上增設一個70mm的平面光柵，其中的機床主軸末端安裝了讀數頭，在測量期間將讀數頭光柵之間的距離控制在0.5mm內，使平面光柵可以測量二維平面內的物體運行情況，并獲取復雜軌跡下的運動精度情況。根據現有的應用經驗可知，通過該技術能夠沿著單軸方向完成高精度的線性光柵驗證結果，根據該結果能夠獲得幾何誤差精度結果，此時平面光柵能夠在這個測量條件下獲得詳細的誤差精度。根據現有的研究經驗可知，通過平面光柵測量的方法可以獲得詳細的精度指標，因此滿足二維平面內任意軌跡的測量要求[2]。

2.定位精度補償技術

為了可以更好的補償各類精度誤差，可以借助不同的技術來對設備的各做標軸的運動情況進行修正，這樣能夠顯著提高機床的精度。

2.1非實時誤差補償技術

在非實時誤差補償技術中，需要提前對數控機床的精度進行測量，期間在工作時對機床根據預先確定的偏差量來執行相應的補償指令。

本文所介紹的非實時誤差補償技術主要是根據預先測量好的偏差量完成補償，在這種模式下需要保證補償對象的相對穩定性，避免誤差隨著時間的變化而發生變化。例如在技術處理階段，針對三軸數控銑床的幾何誤差進行補償，在神經網絡的基礎上采用B樣條曲線，基于非實時誤差補償技術來設置基函數，在經過這種處理之后能夠形成近似誤差軌跡，通過這個軌跡就能實現對數控機床的幾何誤差的快速補償。

其中需要注意的是，摩擦力不均勻會在兩個物體相接觸的情況下產生，而對于數控機床這種變化就是導致機床出現爬行運動，此時在定位精度補償中，通過二元摩擦振子模型的基礎上，對數控機床爬行運動所造成的精度誤差進行界定，并采用基于正壓力的基礎上進行誤差補償。

2.2區間分隔補償法

本文所介紹的區間分隔補償法能夠對機床的定位精度進行補償，該方法的原理，就是根據補償值n，將兩個相鄰補償點的間隔距離平均分為n+1份，其中的分隔點就是補償點，每個補償點都是一個單位，期間不能在補償間隔點之間進行補償，這樣才能避免溢出等問題發生，這個補償步驟如圖1所示。

在圖1的流程圖中，其中的數據處理步驟主要包括：（1）分割子區間。按照補償值n，直接在補償間隔L的基礎上將其平均分為n+1份，此時每個子區間的長度為D為D=L/（n+1）。（2）判斷當前補償點的位置。在精度補償期間，結合當前坐標值與補償間隔L作取余值進行運算，判斷每個精度補償點坐落在相應的補償間隔內。（3）判斷故常條件。在精度補償環節，應該注意判斷相關補償位置是否滿足補償條件，其中的核心內容就是要了解相關定位點是否處于補償位置中。（4）計算補償值。若在計算期間發現點不在補償點位置，則補償值為0;若處于補償點位置，則可以根據補償值來確定補償值為-1或者1。（5）返回當前補償值。返回補償值后對當前的點做誤差補償。

在本階段精度誤差補償期間還應該注意的是，影響數控機床定位精度的因素使多方面的，所以在精度數據處理中應該針對某些特定的誤差進行識別，例如在區間分割法的基礎上，通過構建綜合誤差模型，對因熱誤差與幾何誤差所引發的機床靜態誤差進行補償，可以進一步提高機床誤差補償水平。

結論：數控機床定位精度的檢測及補償技術是提高數控機床生產精度的關鍵，本文所介紹的精度檢測與補償技術滿足數控機床精度管理要求，具有顯著技術優勢，滿足大部分數控機床的精度管理要求，具有推廣價值。

參考文獻：

[1]張偉，陳鵬，潘愛金，等.數控機床誤差檢測及補償技術研究進展[J].機床與液壓，2019，47（17）：198-205.

[2]張培.基于SIEMENS 828D系統的數控機床定位精度的檢測及補償方法[J].科技展望，2016，26（24）：62-63.