模糊控制下的數控機床幾何誤差研究

摘要：隨著信息化以及大數據時代的到來，數控技術也在不斷的發生著變化，提高數控機床的加工深度以及精度是該行業永恒的發展主題。同時，檢測數控機床狀況的重要內容也在于機床加工精度指標工作的完善程度。由于機床在國民經濟中獨特的地位，人們越來越重視這一行業的發展以及技術的革新。在新的背景以及人們新的需求下，本文主要探討目前數控機床在控制中所產生的幾何誤差以及模糊技術是什么，最后結合兩者，探討模糊控制技術下，機床中所產生的幾何誤差是怎樣減少的。因此，該研究對于后期的工作開展具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：機床;幾何誤差;模糊控制;數控技術

0 ?引言

機械制造業從我國剛成立初期就產生了，在新中國逐漸壯大的路上，機械制造業起了主要作用，但是隨著科技的不斷發展，該行業開始面臨著危機，現代人注重科學技術、軟件、互聯網、物聯網等等，注重技術的創新，但是卻忽略最基本的東西，忽略了機床在我國的重要性。機械制造業屬于實體經濟，而實體經濟是我國經濟的重要基礎，其作用不可小覷。機床作為機械制造業的其中一種設備，經常會出現一些問題，產生一些誤差，機床加工的精度一直沒有達到國家的標準，無法實現有效的生產。目前，在機床的幾何誤差上，眾多專家進行大量的研究，該行業得到了進一步發展。雖然有眾多的學者都進行研究，但大多數都是在機床的幾何誤差方面選擇使用數學模型的方式來進行補償，而在模糊控制的補償方式上，相關研究不足。因此，該研究的主要目的在總結前人經驗上，填補幾何誤差在機床上控制上的不足。在研究過程中，考慮到機床有多種體系，本研究從模糊的控制理論出發，提出幾何誤差模型，實踐證明，模糊控制對于機床幾何誤差的分析更加精確，并且得到了事實支撐。故本文具有重要的指導意義以及現實意義。

1 ?幾何誤差

1.1 模型

機床的組成部分并不多，主要由刀具、主軸以及其它的部件組成，屬于一種典型的多體系統。機床的類型多種多樣，所以用于描繪機床的幾何模型也多種多樣。每種類型的機床都存在獨特性，所以我們不能補償機床的綜合誤差。而是要建立一個模糊控制理論下的幾何誤差模型，有效的補償數控機床的幾何誤差。

1.2 方法研究

在誤差測量技術中，辨識誤差以及測量誤差是重要的組成部分，測量誤差技術作為誤差補償技術的基礎，可以用來評定數控機床的加工精度，主要分為直接測量以及間接測量兩種方式。兩種不同的方法，直接測量結果可靠、測各自的優缺點不同，直接測量的精度高，結果可靠，但價格昂貴，所需要的儀器多，并且花費時間長。間接測量主要用于無法直接測量的部分誤差上，在一些施工現場，由于場地以及設備的各種限制，只能通過誤差辨識模型測定部分參數，再結合計算機的程序獲得誤差量。

2 ?建模分析

2.1 數控機床的誤差來源

機床的誤差源多種多樣，包括熱誤差、幾何誤差、力誤差以及數控機床上的控制誤差等等。本文主要討論的是幾何誤差，影響該誤差的主要因素包括機床結構設計、組成機床各個零部件的制造以及安裝的工藝水平等等。該誤差屬于一種靜態誤差，指的是機床在加工的過程中，工作臺實際的運動軌跡與理論軌跡產生了偏差，在這一具體的過程中，主要由包含了定位誤差、轉角誤差、直線角度誤差以及垂直角度誤差，這些誤差都屬于幾何誤差。有時即使測量誤差方案成熟，但也極易受到外部因素的影響。因此，一個完善的誤差辨識模型在幾個幾何誤差的研究中涉及到許多復雜的數學運算以及理論推導。

2.2 幾種誤差元素

以經典的三軸數控機床的單軸運動為例，6種幾何誤差會在機床中產生，其中定位誤差、轉角誤差、直線角度誤差比例分別是1∶3∶2的分布比例。將不同的誤差按照三軸來劃分，X軸Y軸Z軸。詳細的分布如表1所示。

3 ?模糊控制

3.1 重要性

隨著科技的發展，智能系統廣泛的應用在不同的領域上，比如航天航空、煤炭的集中以及油田的開采等等，如果能將其應用在機床上是一次重要創新。由于智能系統本身的優越性以及科學性。并且該技術以嚴謹的數學模型為基礎，結合相應的算法，對控制系統進行分析研究。諸多的優勢使得智能控制系統有望成為機械制造業的主攻方向。對于機床而言，減小機床的幾何誤差，提高機床的控制性能，保持機床的正常運行，具有十分深遠的意義。

3.2 模糊控制體系

從目前的調查研究來看，模糊控制技術擁有完整的理論體系，并且應用技術較為成熟，諸多領域都有涉及。該技術主要的應用在電力領域的控制上，幫助電機更好的進行調速工作，但是在其它領域也有涉及，比如機床的誤差控制以及液壓伺服的系統中。一般來說，想要達到一個理想的輸出環境，需要在電機發電的過程中，進行邏輯運算以達到對某些辨識的參數進行控制的效果。準確的數據模型可以建立在模糊控制的基礎上，該模型則為實際的工作提供了可靠的數據。同時，通過分析該數據，又可以在確定的控制系統下，對可能發生變化的因素以及不確定因素進行篩選，故模糊控制有著十分強的辨識能力，在識別幾何誤差的誤差種類方面，也具有較大的優勢。因此，模糊控制系統是一個精確度高的系統。

3.3 理論概述

模糊控制建立在數學模型的基礎上，利用控制語言，根據相應的模糊控制進行理論上的推理，通常來說，想要達到相應的控制效果，就需要使用相應的控制器。

使用模式控制前，需要弄清楚幾個問題：第一，模糊控制需要對幾何誤差進行采集分析處理，由于模糊控制只接受數字編碼，所以采集分析的目的是將電信號通過數字化技術轉化為模糊控制可接受的編碼形式。第二，將采集到的數字信息轉化之后，就需要進行推理演變，也就是說模糊控制會根據具體的誤差變量情況選擇相應的控制規則以及控制邏輯原理來進行推理演變，從而計算出模糊控制下的數字集合。第三，數字輸出之后，進行分析以及判斷，轉化輸出的數值，得到最終精確的輸出值，可在輸出機構中執行該操作。

PID的控制模塊可以整合處理。最后精確的輸出值會通過PID的處理之后，得到確定，使輸出值更為精準。因此，PID這一模塊就是模糊控制系統開始正常運行的最后防線，它為整個模糊控制系統的順利運行提供了安全、高效的環境。

3.4 基于模糊控制的機床幾何誤差研究

采用模糊控制系統對機床進行控制，調節器中的參數就要在運行的過程中進行調整，控制好機床的制動系統以及調速系統，根據不同的環境進行調整，應對突發的情況。

前期需要轉化信號，進行推演，然后通過PID模型得到精確的輸出值。在這一工作完成之后，開始進入下一部分的工作。由于在機床的結構中，主體部分主要分為邏輯算數單元以及單片機。其中的反饋回路被添加在控制系統中，而該回路基于模糊邏輯控制理論而建立，主要的儀器是模糊控制器。由于幾何誤差在不同矩陣中都有誤差存在，為了減少其誤差，增加其精度，需要使用仿真技術，將主要的方向放在不同矩陣中的平均幾何誤差上。同時，還需要比較X軸Y軸Z軸的輸出以及輸入值，通過比較模糊控制下三個軸的不同誤差，可以得到精確的幾何誤差數值，從而為機床的實際工作開展提供重要的數據以及參數。

4 ?總結

總而言之，在模糊控制之下，機床誤差的補償控制系統有效減小了幾何誤差，通過我們的分析和發現這一誤差是由于運動位置的變化而導致。這就證明本文從模糊控制這一角度出發，對數控機床的產生的幾何誤差進行控制補償，有著重要的理論意義，同時也為機械制造業提供了重要的方法，對于該行業來說是一次重要的轉折點。

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