關于機械數控機床位置控制及誤差補償初探

李玉龍

摘要：在現今的工業化生產中，數控機床發揮著重要作用，數控機床的使用大大提高了工業生產效率，但其也成為影響產品質量的一個關鍵因素，如當數控機床位置控制精度較低時，產品質量將無法得到保障。基于此，本文通過調查法、文獻法對數控機床位置控制與誤差補償措施進行分析路論述，希望能為相關工作帶來些許幫助。

關鍵詞：數控機床;位置控制;誤差補償

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0099-02

0? 引言

目前，機械數控機床在工業生產領域應用的最為廣泛，該類數控機床主要是用于軸類和盤類零件以及任意錐角的內外圓錐切削與加工，并可進行鉆孔以及擴孔等操作。在應用機械數控機床進行生產時，需采用先進的控制方法對機床位置進行控制，使機床有較高的精度，從而讓產品生產質量得到保障。在對機械數控機床位置進行控制時，主要有剛性控制與柔性控制兩種方法，在具體操作過程中，利用有限元軟件來控制機床加工耦合性，從而讓數控機床位置有較高的精度。研究與實踐證明，這種位置控制方法有一定的科學性與可行性，但是也存有缺陷。如數控機床在加工生產過程中其自身會產生振動，上述控制方法未能充分考慮到機床振動對機床位置精度的影響，因此也會有誤差產生。下面結合實際，就機械數控機床位置控制與誤差補償問題做具體分析。

1? 機械數控機床位置控制精度與誤差

1.1 機械數控機床位置變化原因

機械數控機床在運行時是按照事先編制好的程序與輔助參數，按照既定的軌跡（路線）來對零部件進行精準加工，通過機械化的操作與控制減少人為加工誤差，同時提高產品加工速度，降低產品加工成本[1]。

交流伺服位置控制系統是當前許多機械數控機床所采用的，位置控制系統的結構為閉環結構（如圖2所示）。整個結構中包含有點陣式糧倉、數控機床以及機械手臂等。當機械數控機床處于運行狀態時，光電編碼器也會轉動并因此產生脈沖數，從而使機床位置精度得到控制與保證。數控機床之所以會在運行過程中出現位置誤差，主要是因為加工時工件與刀具相互摩擦并由此產生熱量，機床受到熱量影響位置發生變化，并進一步導致工件的相對位置也進一步出現變化[2]。因數控機床結構具有復雜性、系統性特征，因此機床位置控制難度也相對較大。要想實現對機床位置的動態化與精準化控制，就需要借助增量動態模型，并結合溫度、熱位移這兩組數據將機床的熱變形計算出來。由于數控機床位置精度還與機床溫度有關，因此要將位置誤差與機床溫度之間的關系分析出來。之后以各組計算與分析數據構建相應模型并借助模型對位置控制方案進行實踐。

1.2 數控機床位置校正

1.2.1 設立數控機床目標控制函數

為使機械數控機床實現高精度運行，可基于專業理論與先進技術構建機械數控機床目標控制函數，利用該函數對機械數控機裝位置進行精準校正，防止出現過大的位置偏差。在構建機床位置目標控制函數時，先采用專業的技術方法準確測量出機械數控機床加工控制參數的相關性，以便后續各項建構、校正工作能順利進行。

在測量控制參數的相關性時，選用一次逆銑法進行數控機床主軸承銑削加工，在加工過程中沿著齒寬曲率對接觸線進行修正，邊修正邊監測與記錄，最后得到對數控機床加工測試的軸承轉動慣量。在得到這一數據后，將數控機床主軸滾子軸承銑削加工誤差參考量給定，然后再對直齒進行加工時測試與優化切削工藝參數，調整優化到機床切滾刀模數接近安全允量時，計算出數控機床工藝參數解算的相關性控制函數，并基于正確的公式計算出工藝參數相關性測量矩陣。在準確測量出機械數控機床加工控制參數相關性的基礎上，基于精確數據與正確的公式與理論構建控制約束函數。在構建控制約束函數時，需先測得數控機床在運行狀態下的軸向行程、軸向進給速度、齒像方向誤差等。為獲得精準數據，可采用距離測試技術進行測試。測試結束后，依據相應的理論與公式計算分析出數控機床平動行程與平動速率之間的關系。

1.2.2 構建誤差關系增量動態模型

在對機床位置進行控制時，由于位置控制精度主要受到溫度變形的影響，因此要想提高機床坐標位置控制精度，就必須獲得精準的溫度信息。為獲得高精度的分度變形信息，采用補償法來進行檢測與計算。在具體實踐過程中，分析出數控機床結構特點對位置精度的影響，參考分析出的結果構建誤差關系增量動態模型以及數控系統，借助信息化的模型與系統來對數控機床運行期間的位置變化情況進行監測，為位置誤差校正工作的開展提供參考依據。誤差關系增量動態模型以及數控系統的實際監測原理以及程序是：當啟動數控機床進行生產時，安裝在數控機床上的溫度感應裝置會自動采集數控機床運行溫度，并將溫度數據傳輸給數控系統，系統對數據進行處理后，再將數據運用于增量動態模型，模型自動計算出誤差補償值，以該數值為參考對數控機床位置進行矯正，讓機床沿坐標軸運動。當前還有一種機床位置監測與控制方法，就是基于高精度坐標，得到機械數控機床處于運行狀態下多坐標合成軌跡，在此基礎上運用幾何誤差信息校正方法對數控機床的偏差位置做出校正，讓數控機床位置精度達到標準要求[3]。

2? 機械數控機床位置誤差補償

誤差補償的基本思想就是于機械數控機床控制系統中輸入誤差值，借此對誤差位置進行補償或者是對零件的尺寸以及形位誤差進行改進。在對機械數控機床位置誤差進行補償時，有軟件誤差補償、硬件誤差補償這兩種方法，在實際的操作中需要根據補償信息是產生于系統軟件還是機床硬件來做針對性的選擇與應用。下面就這兩種誤差補償方法做具體分析。

2.1 硬件誤差補償

使用硬件誤差補償技術時，主要是通過調整硬件參數來達到提高位置精度的目的。如對數控機床上相關構件的尺寸、大小、深淺等進行調整，從而使數控機床在運行過程中易發生位置偏移的問題得到解決。除了調整數控機床零部件參數，還要對螺栓、螺母等進行預緊緊固，對軸承間隙進行補償。進行硬件補償后，機械數控機床位置精度雖有明顯提高，但是機床制造成本也會明顯上升。并且采用硬件補償法后，后續就很難對機床補償值進行靈活調整。因此在具體的生產實踐中還應根據實際情況謹慎選擇、合理運用[4]。

2.2 軟件誤差補償

使用軟件誤差補償技術時，先要將反向間隙測定出來，然后以該數據為參考適當調整參數表中的補償值，借此將機床系統在運行過程中產生的誤差值抵消，進而減少數控機械位置誤差。與硬件補償法相比，軟件補償法要更容易操作，并且其的適用性也較強，通用性較好。經研究與試驗發現，軟件補償的共臺性能很好，并且補償操作也較為靈活，當機械數控機床處于運行狀態時，補償值可隨工作狀態的變化而變化。相較于硬件誤差補償法，軟件誤差補償在當前有著更廣泛的應用[5]。

軟件誤差補償實例：

由于激光干涉儀的自動線性誤差補償功能較強，可在機械數控機床運行過程中自動檢測機床位置精度并作出自動補償，因此可利用其對機械數控機床各運動軸的反向間隙進行自動測量與補償，讓機械數控機床有較高的加工精度。在利用激光干涉儀對機械數控機床位置精度進行監測與補償時，需先設置好有關的參數，如可將起點坐標設置為0，終點坐標設置為100，步長設置為4mm，往復行程自動測量次數為20次。在設置好這些基礎參數后再設置誤差補償參數，讓激光干涉儀的測量頻率設置為每運行10mm測量1次，將每次測量停頓時間設置為4s，往復總共測量次數設置為11，共運行110mm。

參數設置結束編寫測量程序，編訂程序時以機床實際加工精度為依據，在滾珠絲杠有效行程范圍內按照標準的順序確定出若干個采樣點。采樣點設置完成后，利用增量值補償類型對各采樣處的誤差補償值進行測量采集，整合各數據形成在不同指令位置處的帶后沖動值綜合誤差表。依據誤差表對誤差產生原因等進行分析，并將控制面板的參數設置頁面打開，查找并進入“軸間補量”的Z軸補償界面，于Z軸反向間隙補償位置輸入反向間隙平均值，實現對誤差的有效補償。研究與實踐證明，對機械數控機床進行以上誤差補償操作后，機床加工精度會明顯提高，產品質量也得到充分保證。

3? 結語

綜上所述，機械數控機床位置誤差會給產品加工質量造成較大影響。因此對于機械數控機床位置誤差，一定要找準誤差產生原因，并采取相應的位置控制與誤差補償方法使位置誤差得以消除，讓機床加工精度得到保證。

參考文獻：

[1]黃利銀.機械數控機床位置控制及誤差補償分析[J].信息記錄材料，2020，21（09）：110-111.

[2]張婷，薛媛麗.基于增量動態模型的機械數控機床位置控制方法[J].機械設計與制造工程，2020，49（06）：107-111.

[3]周大成.機械數控機床位置控制及誤差補償分析[J].農機使用與維修，2020（06）：47.

[4]劉慧敏.高強度運行環境下機械數控機床位置控制研究[J].科技通報，2018，34（02）：179-182，187.

[5]張峻琿.數控機床機械故障的診斷方法研究[J].科技與創新，2015（24）：100.