數控銑機床的精度檢測及補償工藝

觀貴泉

摘 要：隨著機械技術的發展與測量技術的進步，對數控機床的精度檢測要求越來越高。造成數控機床的精度測量誤差的原因有多種，對測量的精度產生不同層度的影響，本文對造成誤差的原因進行合理分類，同時闡述進行誤差定位的具體原理以及測量精度誤差的方法。基于現階段數控機床精度檢測中存在的問題，提出具體的補償工藝，反向間隙補償法、NC修正法以及具的軟件實現流程，旨在從實踐和理論兩個維度改善機床的測量精度、從而有效提升所加工零件的質量，減少企業在生產中因測量誤差造成的產品損失

關鍵詞： 數控銑床;精度檢測;補償工藝

隨著機械工程技術的進步以及更加復雜的曲面零件的生產，對數控機床的精度檢測技術提出了越來越高的要求，而元器件的加工精度是測量生產工藝流程產品質量的重要標準與指標[1]。但是由于在具體的生產過程中，難以實現流程機械化，因此普遍存在著各種生產和測量誤差，從而使數控機床在元器件的加工過程中會出現偏離給定進程目標的情況，因此產生產品的加工誤差，大大降低了產品的質量和合格率。所以，基于目前的技術如何對數控機床的加工精度進行補償與提高現在成為領域內的研究熱點。本文基于造成精度檢測誤差的原因，在分析其產生原因及具體類型的情況下，探討解決對策，旨在為提升數控機床的檢測精度提供參考與借鑒。

1.影響數控機床精度檢查重要因素

1.1精度檢測誤差分類

在元器件的生產過程中由于各種工藝流程的存在，導致影響機床精度的因素較多，很難追蹤具體的發生原因。但是基于生產經驗與設備因素，根據各種因素對數控機床加工精度的產生影響的效果與原因可以分為如下具體幾類：機床控制系統在生產過程中存在誤差、機床的幾何誤差、熱力導致的變形誤差、切削力度導致的零件變形誤差、外界干擾誤差以及機床振動頻率所造成的誤差等。另一方面，如果我們從造成機床誤差的不同性質來看，造成機床誤差的原因又可以具體分為動態誤差與準靜態性誤差[2]。動態誤差大都由于機器在運作過程中造成，由于數控機床是一個復雜的元器件組合體，所以在運行過程中，例如機床的振動、切削力的變化等都會造成數控機床精度檢測的動態變化，另外數控機床的主軸隨著時間的變化其運行的時間越長，出現誤差的可能性就越大，由于是一種隨機性變化，所以導致這些誤差很難被及時發現與解決，并且不同時間段的誤差可能有所不同。由于動態誤差與機器的具體運行過程一同變化，導致造成誤差的原因十分復雜，例如熱力導致的誤差，就與機器自身的溫度與內部元器件在運行過程中的溫度相關。而靜態誤差，大多數機器本身所攜帶的一些誤差，在購買機床前有可能就已經存在，并且隨著時間的變化，機器運行的時間越來越長，這些誤差也就會變得越來越大，這也與元器件的老化具有一定關聯，屬于漸進性變化過程。動態誤差大都采取軟件進行補償的方法，在機器運作過程中，可根據不同的誤差類型來制定不同的軟件補償流程與策略。

1.2定位誤差原理

本次研究使用了激光干涉儀從而對數控機床的具體精度誤差進行定位與細密檢查。整個測量系統分別由：雷尼紹XL-30激光干涉儀、數據采集卡、計算機以及光學鏡組組成。激光干涉儀的具體線性測量原理依據圖1所示，在機器運行過程中，從激光干涉儀中射出的激光通過安置的分光鏡片A將一束聚集光分散為2束散光，其中一束散光通過事先固定的反射鏡片B形成對照光，而另一束散光通過在數控機床測安裝的反射鏡片C形成研究光，對照光束與研究光束在通過分光鏡后通過分光鏡的散射與聚合原理，兩束光共同匯合成一束光線并產生干涉。

如果已經出現的兩束光所處的位置與方向相同，那么經過會合后的光波會明顯增強，形成為較亮的光亮條紋;如果兩束光的位置與方向相反，那么，就會產生暗度明顯的暗條紋。基于兩者的不同特點以及條紋變化規律對已經變化的電子進行細分，最終得到主軸距離在運作過程中所出現的細微變化。

1.3精度檢測誤差測量方法

數控機床的幾何誤差是影響測量密度的重要因素之一同時也是進行幾何誤差補償工藝的基礎，而對于數控機床幾何誤差的測量有具體兩種方法。第一種是對數控機床單項誤差的直接測量法。如上面已經闡述的原理，選用激光測量儀來對機床在運作過程中的具體誤差進行單項多次測量。例如，通過雙頻激光干涉儀的使用可以方便、快速、直接的對3項坐標正在運作中的機床進行多達18項誤差的檢查，與其他測量方法相比，該測量方法不干擾機床的運作過程，能夠保證機床在產生經濟效益的同時發現誤差問題，減少企業因停用機床造成的經濟損失，另一方面，利用電子水平儀可以檢測轉角誤差。另一種方法為綜合性的誤差測量具體參數辨別法。該方法從數控機床的整體角度出發，考慮到機床的具體元器件，對數控機床進行定點誤差檢測，從給定點的空間位置出發，利用計算機同時結合數學辨識模型來對出現的參數誤差進行分離，將整體誤差轉化為具體的單項誤差，從而有利于針對性解決[3]。參數辨別法需要與軟件與數據處理結合，需要精確的數據分析與處理技術，并且要對誤差數據進行預處理，需要一定的計算機知識基礎導致過程較為復雜，在實踐過程中的應用較少。

反向間隙以及螺距誤差是產生幾何誤差的重要原因，也是對數控機床進行改造和使用補償工藝的基礎。通過上面已經介紹的雙頻激光干涉儀能夠及時測量兩者的誤差，并為補償工藝提供借鑒。

2.數控銑機床精度誤差的補償工藝

2.1反向間隙補償

反向間隙補償即為齒隙補償，其主要原理是基于機械傳動鏈在運作過程中會不斷的改變轉向，如果存在反向間隙的情況，會導致電機空走，但是工作臺卻未發生指令性運動，造成失動的現象。反向間隙不僅有可能存在于主軸上，在各個機器運動軸上都有可能出現，機器一旦運作，軸的方向在運作中發生改變時，反向間隙的現象就會表現出來，反向間隙的具體產生過程如圖2所示。值得注意的是，反向間隙具體值的大小與各個運動軸的具體運動位置不存在關聯。軸承桿在運作過程中會出現一定程度的磨損與裝置不匹配的情況，這就會導致在整個軸承上的反向間隙會出現一定程度的差異，為了確保數據測量的準確性需要把絲桿基于具體的間隙情況來劃分為不同的幾個段落。造成反向間隙的重要因素經過調查表明，主要由于機器運作過程中，支撐的主要軸承與承接軸承的軸承座之間有一定的間隙，而這種間隙幾乎不受溫度變化的影響。因此，可以說明軸承中間部位反向間隙的變化幅度較小，軸承兩端部分變化較大，由于數控機床處于半閉環的系統中，軸承兩端的反向間隙會對精度造成巨大的影響，所以在進行補償工藝設置時，應優先對軸承兩端反向間隙誤差進行處理。

2.2NC修正法在補償工藝中的應用

數控機床會按照事先制定的數控加工程序進行加工，例如通過數控命令來實現切削刀具和加工器件之間準確的切割定位并實現相對運動。基于這種原理對誤差進行補償首先要計算出預定指令與現實工作中存在的誤差，通過對誤差值進行反向控制輸入以及將誤差值反向的輸入到數控程序的插補命令上，這樣可以實現誤差的抵消，從而較好的補償誤差，該方法容易實現，且經濟花費小。在實際工作過程中，數控機床的各分支驅動軸承主要依靠NCBIOS中對位置的控制功能來實現命令與運作的對接，其工作原理具體為：位置控制器中的位置控制操作程序會在每個采樣周期結束時運作一次，可以及時讀入調整后的變化位置，及時調整誤差。同時通過對坐標軸運作的實際位置進行采樣與比較分析，最終通過誤差測控對坐標軸位置進行補償，從而形成正確的坐標軸位置。通過對比理論位置和實際位置來計算出具體的跟隨誤差，并通過分析誤差所在的具體區間來計進一步計算出進給速度指令的正確數字量，并且通過D/A的轉換，最終可以作為應用在單元速度環中的輸入數度指令，在軸承運作過程中，通過元驅動的坐標軸運動，從而實現基于位置控制的誤差補償。

2.3誤差補償的軟件實現法

目前為止，在數控機床的誤差補償軟件實現方法方面，大都采用CNC修正法。例外，FANUC以及SIEM ENS等眾多公司，其開發的數控系統會配置有單軸誤差補償功能，這些補償功能的運作形式與現在被廣泛使用的華中數控系統極為相似，在實現過程中，將具體離散點的誤差輸入到數控系統的誤差補償參數表中，數控系統隨之可以自動完成誤差的補償。不同數控系統之間的差別主要體現在補償點數的不同方面。例如，FANUC與SIEM ENS的數控操作系統在運行過程中可以達到1000多個補償點，而與此相比華中數控操作系統的補償點只有100左右，有明顯的數量上的不足。補償點越多就表明數控機床的測量密度越高，例如，所測量到的前后兩個補償點的誤差差值甚至低于數控機床可以識別的最小分辨率，這樣在對測量點進行補償時，補償精度會達到大幅度的提升。

3.結論

在數控機床的加工與運作過程中會出現各種原因導致的精度誤差，從而直接影響著產品質量與工藝生產流程。雙頻激光干涉儀是數控機床在進行精度的定位與檢測時所廣泛使用的一種專業工具，通過測量精度誤差，來為補償工藝的應用奠定基礎。在機床運作過程中會出現動態性誤差與靜態性誤差，科學合理的補償工藝是有效提升數控機床精度的基礎，通過反向間隙補償與軟件補償的方法可以對數控機床進行多方面綜合精度補償，從而可以使機床在更為精確的狀態下進行工作，提升生產流程與生產產品的質量，最大程度減少因精度誤差造成的生產損失。

參考文獻：

[1] 宇海英. 數控銑床誤差檢測與補償方法研究[J]. 金陵科技學院學報， 2008（03）：38-42.

[2] 宋超， 王湘江， 曾超. 數控銑床定位精度測量及誤差補償研究[J]. 機械工程師， 2019， 332（02）：56-59.

[3]林超青. 五坐標數控機床旋轉軸定位精度的校正方法[J]. 金屬加工：冷加工， 2019（5）：77-80.