數(shù)控機床誤差綜合補償技術(shù)及應(yīng)用

李瑞

摘要：數(shù)控機床是當今機械制造業(yè)中的一個應(yīng)用廣泛的生產(chǎn)設(shè)施，使用數(shù)控機床進行工作的時候難免會產(chǎn)生一些誤差，導(dǎo)致這個誤差的原因大致分為熱變形誤差和幾何誤差，這兩個誤差是數(shù)控機床比較常見的誤差，所以將這部分的內(nèi)容綜合起來分析會更加的有可用性，在本文中會針對這兩個方面來分析數(shù)控機床誤差的補償技術(shù)以及應(yīng)用。利用好數(shù)控機床的誤差綜合補償技術(shù)的話不僅可以在有效地提升機床加工精確度的同時，為產(chǎn)業(yè)帶來較高的經(jīng)濟收益。因此，合理高效的應(yīng)用數(shù)控機床的誤差綜合補償技術(shù)是一個十分重要的項目。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;誤差綜合補償技術(shù);實施措施

0? 引言

數(shù)控機床的誤差自從很早以前就已經(jīng)受到了人們的重視，隨著時代的不斷發(fā)展與科技水平的提升，數(shù)控機床技術(shù)也越來越精湛，伺服進給速度和加工精度、機床主軸轉(zhuǎn)速不斷提升，數(shù)控機床本身存在的一些問題更加的明顯了。不同類型的機床的誤差范圍都是不一樣的，但是熱變形導(dǎo)致的誤差大致占據(jù)總誤差的30～50%，這個數(shù)據(jù)可以表明對于熱變形誤差的研究是十分必要的，除了熱變形誤差之外，幾何誤差同樣也是占據(jù)了總誤差的一個很高的比例，所以要想研究數(shù)控機床誤差綜合補償技術(shù)及應(yīng)用就要從這兩個方面進行切入，慢慢深入研究分析。

1? 以多體系統(tǒng)為基礎(chǔ)的建模技術(shù)

多個剛體或者柔體通過一些特定的形式相互聯(lián)系所建立的復(fù)雜機械系統(tǒng)就是多體系統(tǒng)，同時這個系統(tǒng)也是由任何機械系統(tǒng)通過抽象的方式而建立起來的。其部件主要由滑輪、床身、立柱、工作臺以及主軸箱等構(gòu)成。所以在面對數(shù)控機床的誤差的時候，要先思考其主要構(gòu)件的基本運作原理與運行流程，然后根據(jù)這個原理來找到最合適的誤差綜合補償技術(shù)。這個多體系統(tǒng)其實也算是一個比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以在數(shù)控機床發(fā)生誤差的時候，任何一個部件的誤差都會影響到另外的部件，讓其誤差在不知不覺中慢慢變大，所以數(shù)控機床的誤差綜合補償技術(shù)需要更加注重其能夠帶來的影響。

2? 低序體陣列和變換矩陣

一個機械系統(tǒng)有很多種形式可以做選擇，就拿數(shù)控機床作為例子，有臥式、龍門式以及立式等等，這些多樣的構(gòu)件形式讓機械系統(tǒng)也變得多種多樣。低序體陣列指的是機械系統(tǒng)的拓補結(jié)構(gòu)，一些復(fù)雜的抽象的機械系統(tǒng)能夠利用低序體陣列變成一個個體的形式，然后投入使用。例如，選擇一個體作為基體A，然后在離A較遠的一個方向遵循自然增長的數(shù)列來標定每一個體的標號，值得注意的是在進行這個標定工作的時候，假如遇到分支，可以在標定完一個分支之后再標定其他的，然后直到所有的個體都有了標號之后結(jié)束。低序體陣列里面所表現(xiàn)出來的序號是用來表明個體和個體之間的相互位置關(guān)系的。

除了低序體陣列之外，還有一個變換矩陣。舉個例子，這個變換矩陣在多體系統(tǒng)中隨便兩個臨近的，其中n1是B1的坐標系上的一個點，然后n2則是B2的坐標系上的一個點，其之間的關(guān)系滿足{n1}=[SJK]{n2}這個公式，在這里面的[SJK]可以轉(zhuǎn)換成為矩陣，可以由其中的n1和n2相互間的方位角來決定，其中的c=cos.s=sin。然后通過相鄰體之間的變換關(guān)系，就可以將{n1}轉(zhuǎn)變成為一種慣性坐標系為{n1}=[SOK]{n2}以及[SOK]=II[SJK]，值得注意的是其中的II表示的是多體系統(tǒng)低序體的連乘。

3? 絲杠進給系統(tǒng)的熱變形誤差

絲杠進給系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差是熱變形誤差中的一個很常見的因素，所以其解決的應(yīng)用方式對降低數(shù)控機床誤差是很有效果的，在機床加工的時候會出現(xiàn)的情況會很多，所以即使是在一樣的加工條件下，由于加工的構(gòu)件的安裝位置的變化，導(dǎo)致的絲杠的熱變形的情況也各不相同。對于由于這種原因造成的絲杠的熱變形補償，主要的措施有：①引入光柵反饋的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，來進行運作。然后對于一些半閉環(huán)的機床，則可以采用Renishaw公司開發(fā)出來激光反饋實時補償系統(tǒng)，通過這樣的方式保證數(shù)控機床的正常運作。②在伺服動態(tài)性的這個特點的形式下可以嘗試對絲杠進行適當?shù)念A(yù)警，保證數(shù)控機床的正常運作。③進一步改良絲杠母副的冷卻系統(tǒng)，能夠讓數(shù)控機床進行更長時間的耐久性運作。④預(yù)補償法，在數(shù)控機床的定位誤差的時候，可以預(yù)補償一定數(shù)量的值，通過這樣的方式來補償熱變形的誤差，但是這個方式存在一定的缺陷，那就是預(yù)補償后的機床的定位誤差容易超過規(guī)定的數(shù)值，必須多加注意減少誤差的出現(xiàn)。

4? 滑枕系統(tǒng)的誤差綜合補償技術(shù)

滑枕系統(tǒng)在工作的時候，系統(tǒng)會處在一個內(nèi)熱源和外熱源共同的一個作用之下，且熱源不恒定。因為滑枕系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)是不對稱的，加之發(fā)熱部件和制冷部件在系統(tǒng)之中的排列是不勻稱的，此外，滑枕系統(tǒng)之中使用到的各個零部件的制作材料、形狀、構(gòu)造都是不一樣的，所以，滑枕系統(tǒng)實際上可以看作是一個繁冗復(fù)雜且千變?nèi)f幻的溫度復(fù)合場?；硐到y(tǒng)在這樣的溫度復(fù)合場的冷熱作用之下，滑枕系統(tǒng)的組件就會產(chǎn)生所謂的“熱應(yīng)力”和“熱位移”?；硐到y(tǒng)的組件的外表的溫度上升越高，其系統(tǒng)的零部件處在這個溫度復(fù)合場中越久，所受到的熱變形就越大，該數(shù)控機床的精度就越難把握，誤差變大的可能性極高，同時，該機床的熱特性也就越差。除此之外，熱位移對滑枕系統(tǒng)的組件加工精度的影響力度較之溫度復(fù)合場更甚，尤其是是滑枕系統(tǒng)前端面的部件的熱位移?；硐到y(tǒng)前端面的部件產(chǎn)生的熱位移將會直接反映到銑刀在數(shù)控機床的W軸方向的熱誤差上，滑枕系統(tǒng)的零部件將會沿著數(shù)控機床的W軸方向不斷膨脹到一個極值，從而導(dǎo)致數(shù)控機床的銑削平面變成一個階梯形狀的平面，造成極大的誤差。

由于該工作特性的存在，滑枕系統(tǒng)的熱變形問題要格外注意，否則很容易產(chǎn)生熱變形從而導(dǎo)致誤差。熱變形參數(shù)的測量可以采用卓有成效的五點法進行，就是在主軸上面安裝標準芯棒，然后在YX、ZX的平面上分別安裝上間距為250mm的電渦流傳感器，安裝完兩個之后，然后在芯棒的那一端安裝上一個電渦流的傳感器，幫助測量一些數(shù)據(jù)。熱傳感器的安裝位置在主軸的前端在軸承側(cè)，另外一個則安裝在床身可以作為相對溫差測量，如此一來就可以得出比較全面的測量數(shù)據(jù)。在進行實際的實驗中，機床的主軸大多數(shù)時間是處于最高的轉(zhuǎn)速的70%的工況下運轉(zhuǎn)的，其運轉(zhuǎn)的方式是連續(xù)運轉(zhuǎn)，在其運轉(zhuǎn)的過程中是通過電渦流傳感器來進行測量的，通過這樣的方式可以計算出熱變形的誤差參數(shù)，將這些測量出來的數(shù)據(jù)代入一些特定的公式里面，就可以通過計算得出誤差補償前后的實際測量結(jié)果。

5? 加工優(yōu)化以及加工模擬

數(shù)控機床的誤差其實主要是由于構(gòu)件產(chǎn)生的一些運作，所以在構(gòu)件加工的時候進行把控、優(yōu)化，就可以讓誤差在很大程度上得到更好的解決，具體的方式有先將零件的加工總面積通過計算得出數(shù)據(jù)來，然后再把過度的圓弧半徑根據(jù)其使用的情況進行一些分類，從而得到比較清晰的一個分類，這個分類可以是根據(jù)當前工廠里面所使用的刀具的種類或者半徑范圍來進行進一步的分類。其次，為了更加方便下一步的運作，可以將其分為一般型和微型兩個種類，再分別計算出這兩種類型的刀具的過渡圓弧的加工所需要的面積，值得注意的事假如微型這一類的加工面積占據(jù)整個面積里面的比值超過了0.25，那么就要考慮去更換刀的時間，否則不換刀具，依舊采用加工環(huán)所需要的最大的半徑的刀具。如果情況相反，那么就可以考慮加工過渡圓弧，以及換刀滿足可以干涉要求的最大的半斤的微型刀，對于其他的地方，則采用常規(guī)的刀具[4]。

隨著時代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達，好多的方式在正式投入運用之前，可以進行模擬，利用計算機來進行加工程序的模擬，得到驗證。這個方式比較常見的采用方式是線架模塊法，通過這個方式能夠在熒光屏上顯示出刀具的運作軌跡，然后在實際運作的時候，刀具的軌跡可以通過顯示刀位點之間的數(shù)據(jù)來進行模擬運作。在采用這種方式的時候，要首先了解到這種采用實際物體來進行模擬驗證的方式是一種比較先進的方式，但是面對二維輪廓加工的時候，因為干涉處理其實已經(jīng)得到了上一步的驗證了，所以可以不用過多的考慮刀具會發(fā)生過切的現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，整個過程其實就是生成指令的過程的一個逆過程，簡單的理解就是將指定的文件轉(zhuǎn)變成為CAD的圖形，然后通過電話的方式將其更加具體的展現(xiàn)出來，這樣的方式會更加的直觀。

數(shù)控機床的一些零件的加工也是一種很重要的誤差綜合補償技術(shù)，并且是能夠讓誤差在產(chǎn)生之前就讓誤差造成的損失最小化，因為數(shù)控機床的整體運作在本質(zhì)上就是由一個個的部件綜合協(xié)作而實現(xiàn)的，所以對部件進行更多的優(yōu)化，能夠讓誤差造成的后果影響盡可能降低，并且能夠讓數(shù)控機床的整體運作得到更高的經(jīng)濟收益。

6? 結(jié)束語

本文在多體系統(tǒng)的運作基礎(chǔ)上進行了分析探索，建立了更加綜合的誤差補償技術(shù)的通用計算模型，通過各種各樣的公式讓這個補償技術(shù)更加的具有可行性和科學(xué)性。在數(shù)控機床的運作期間，其實有很多的外在因素時刻在影響著數(shù)控機床的運作，例如切削熱、冷卻系統(tǒng)以及環(huán)境溫度等都在時時刻刻讓數(shù)控機床產(chǎn)生著誤差，所以為了減少誤差到來的影響，就需要研究數(shù)控機床的誤差綜合補償技術(shù)，并從中得出措施然后投入到使用之中，讓數(shù)控機床在整體運作的時候能夠得到更好的優(yōu)化，讓數(shù)控機床在更好的一個環(huán)境狀況下去運作，并且得到更多的經(jīng)濟效應(yīng)。數(shù)控機床的誤差綜合補償技術(shù)能夠讓補償量到達一個很理想的狀態(tài)的，但是這個狀態(tài)是需要科學(xué)技術(shù)去進行維持的，這也就需要科學(xué)技術(shù)去進一步的研究探索，得出最好的優(yōu)化方案，讓數(shù)控機床能夠保持最優(yōu)的一個狀態(tài)去運作。

參考文獻：

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