基于“華中8 型”數控系統的空間誤差補償應用技術研究

王貴勇，王 哲，岳應超，張愛國

（1.內蒙古第一機械集團股份有限公司，內蒙古 包頭 014032；2.湖北江山華科數字設備科技有限公司，湖北 襄陽 441100；3.武漢華中數控股份有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

數控機床作為制造機器的機器，其自身精度及穩定性直接決定了產品加工質量。隨著工業制造水平的提升，對高精度機床要求越來越高，除機械制造及裝配精度，控制系統也要實現對機床空間誤差補償，以盡可能提高機床加工精度。誤差應用包括誤差測量和補償。在機床生產制造及使用過程中，受生產條件所限，機床軸不可能完全精確地安裝調試水平，軸與軸之間也難以相互垂直，這將導致機床在空間內移動時，各軸出現傾斜度、偏擺角、滾動角、垂直度、水平度、直線定位、及直角度的偏差，共計21 項誤差（包括3 個定位誤差、6 個直線度誤差、9 個轉角誤差、3 個垂直度誤差）[1-2]。

由于機床的單軸運動誤差直接測量難度較高，目前大多數測量方法研究圍繞在誤差辨識法，主要測量工具包括球桿儀、激光干涉儀、平面光柵[3]、非接觸式位移傳感器等精密設備。2002 年蘇恒等提出“精確時域兩點法”，該方法能夠從傳感器信號中辨識出工件直線度和運動誤差，同時實現了在線測量[4]。2007 年Ekinci 和Mayer 對機床導軌-工作臺運動模型中的運動誤差進行了深入研究，在經過了仿真實驗后得出了位置誤差和姿態誤差之間并沒有聯系的結論，同時指出運動誤差與導軌的形狀有直接的聯系[5]。2011 年Shen 等[6]使用直線光柵進行定位誤差的測量研究測試。2019 年李金和使用激光跟蹤儀進行空間誤差測量，同時基于跟蹤儀得到的測量信息提出能夠辨識出所有單項誤差辨識方法，在此基礎上基于兩部解正則化方法改進誤差辨識方法，大大提高了該方法的穩定性[7]。2005 年任永強等在空間體對角線測量法的機床上提出了改進，將原來每一步斜線運動分解為單軸運動，并測得到單軸運動誤差，由此獲取三倍于之前的誤差數據[8]，同時根據測量數據提出辨識模型，可以顯著減少測量工作量。目前國內外對于誤差測量方法主要集中在多條線路測量，然后進行誤差辨識。但是由于需要多次測量，且求解過程復雜，難以滿足工程需求。

針對數控機床三維空間誤差補償領域的研究現狀，本文重點開展基于“華中8 型”的三軸誤差補償技術研究及應用，包括以下幾個方面研究工作：21 項幾何誤差償模研究以及與“華中8 型”數控系統的集成；研究基于Matlab 誤差場的模型仿真；結合加工中心進行功能的驗證。

1 空間誤差補償模型研究

針對三軸機床的21 項幾何誤差中的定位誤差，同時采用Renishaw XM-60 和API-6D 激光干涉儀作為誤差測試工具。

1.1 21 項幾何誤差補償模型

1.1.1 線性位移誤差補償

線性位移誤差主要由機床絲桿的螺距誤差產生，誤差值與當前軸位置相關，且運動軸與補償軸為同一軸。為實現線性位移誤差補償，必須首先根據誤差曲線建立補償值序列，補償值序列根據誤差曲線采樣得到，是行程范圍內等間距點處補償值的集合。在得到補償值序列后，當前運動軸在各位置處的補償值按線性插值法計算得到，如圖1 所示。

圖1 線性插值計算當前位置補償值

在實施補償時，補償值將會與當前運動軸指令坐標疊加，因此當補償值為正值時將會促使當前軸向正向移動。

1.1.2 直線度誤差補償

直線度誤差屬于二維空間誤差，因此需要根據儀器檢測的某平面直線度誤差決定補償軸與運動軸，如：檢測X軸XY平面直線度，則補償軸為Y軸，運動軸為X軸，根據當前運動軸X軸位置計算得到的補償值將會與補償軸Y軸指令坐標疊加。

1.1.3 垂直度誤差補償

垂直度誤差如圖2 所示，從圖中可以看出，當兩軸正向夾角大于90°時垂直度誤差為正，小于90°時為負。由于垂直度誤差反映了機床兩軸之間夾角的誤差趨勢，與機床運動軸位置無關，因此不需要建立補償值序列，針對垂直度誤差的機床位移補償量計算：補償值=運動軸坐標×垂直度誤差。

圖2 垂直度誤差

假設機床X軸與Y軸的垂直度誤差為Φxy，當以Y軸作為補償軸時，補償值Compy=x·Φxy，其中x為運動軸X當前位置坐標。

1.2 誤差場的模型仿真

基于對空間誤差模型分析，使用matlab 的GUI開發工具開發一個進行誤差分析及計算的軟件平臺。該軟件的流程圖如圖3 所示。

圖3 誤差補償軟件流程圖

首先通過誤差補償軟件導入測量文件，對原始誤差進行分析。然后可以進行空間誤差模型的計算，將單軸運動誤差計算得到空間網格內特征點的空間誤差值，同時進行空間誤差場的誤差仿真。此時既可以選擇生成使用線性插值法的補償文件，也可以進行神經網絡訓練并生成使用神經網絡法預測的補償文件。最后進行空間體對角線的定位誤差仿真。

如圖4 所示，空間誤差補償軟件界面主要分為以下幾個板塊：（1）測量文件載入及測量配置顯示板塊；（2）測量數據曲線顯示板塊；（3）空間誤差模型計算及仿真板塊；（4）神經網絡訓練板塊。

圖4 空間誤差補償軟件主界面

1.3 與“華中8 型”數控系統的集成

“華中8 型”數控系統集成21 項幾何誤差補償模型。數控系統針對機床幾何誤差實施補償的處理流程如圖5 所示。

圖5 體積誤差補償模塊處理流程

如圖6 所示，在HNC-8 數控系統中集成各項幾何誤差（直線度誤差、角度誤差、垂直度誤差、反向誤差等）的補償方法與參數入口，且誤差補償的所有參數生效方式均是復位生效。

圖6 螺距誤差補償參數界面

2 機床幾何誤差補償應用案例

實驗平臺為一臺XHK-715 三軸立式加工中心，定位精度為±5 μm，重復定位精度為±2 μm。該數控機床使用的是集成了空間誤差補償模塊國產數控系統HNC-818B。本次測量設備使用的是雷尼紹XM-60四光束及API-6D 激光干涉儀（主要完成垂直度測量），機床主要技術參數：X、Y、Z、方向進給速度范圍0～6000 mm/min，主軸轉速8000 r/min，進給軸移動最大距離（X/Y/Z）800/500/550 mm，定位精度±0.005 mm，重復定位精度±0.002 mm，數控系統HNC-818B/M 總線式系統。

2.1 空間誤差測量實驗方案

（1）根據數控機床工作行程依次測量數控系統xyz軸單軸六項幾何誤差及測量間距XGap、Ygap 和ZGap，即起始測量點到接收器距離測量示意圖如圖7所示。

圖7 XHK-715 單軸運動誤差測量

（2）從雷尼紹軟件explore 軟件中單軸運動誤差測量文件，通過空間誤差補償軟件依次讀取xyz軸測量文件并填入測量間距。利用軟件分析看測量數據是否波動過大，否則重新進行測量。

（3）使用api 激光干涉儀測量垂直度誤差，分別為-0.003°，-0.0024°和-0.006°。

（4）通過誤差補償軟件生成誤差補償文件，或者訓練神經網絡模型然后生成誤差補償參數文件。

（5）將4）生成的補償文件通過U 盤導入到數控系統中進行文件讀取并正確設置XYZ補償參數。

（6）打開空間誤差補償再次進行PPP 體對角線的定位誤差測量。比較補償前后數據，分析補償效果。

2.2 單軸實驗數據分析

X軸測量行程為[-650，-50] mm，測量間距為50 mm，定位誤差在-28 ～0 μm，Y向直線度誤差最大為-5 μm，Z向直線度誤差最大為-5 μm。

同理，Y軸測量行程為[-350，-50] mm，測量間距為50 mm，定位誤差在-26 ～0 μm，X向直線度誤差最大為3 μm，Z向直線度誤差最大為2 μm。

同理，Z軸測量行程為[-450，-50] mm，測量間距為50 mm，單軸定位誤差在-22 ～0 μm，X向直線度誤差最大為3 μm，Y向直線度誤差最大為2 μm。

2.3 誤差補償驗證

（1）使用API 激光干涉儀對體對角線PPP 定位誤差測量，行程為（-650，-350，-450）到（-50，-50，-50），共11 個測量點，定位誤差在0 ～0.03 mm 之間，補償后對角線定位誤差降低到0 ～0.013 mm，約降低了57%。

（2）使用API 激光干涉儀對體對角線PNP 定位誤差測量，行程為（-650，-50，-450）到（-50，-350，-50），共11 個測量點，定位誤差在-0.09～0 mm 之間。補償后對角線定位誤差降低到了0 ～0.035 mm，約降低了60%。

（3）使用API 激光干涉儀對體對角線NPP 定位誤差測量，行程為（-50，-350，-450）到（-650，-50，-50），共11 個測量點。定位誤差在-0.12 ～ 0 mm 之間。補償后對角線定位誤差降低到0 ～0.051 mm，約降低了56%。

（4）使用API 激光干涉儀對體對角線PNP 定位誤差測量，行程為（-50，-50，-450）到（-650，-350，-50），共11 個測量點定位誤差在0～-0.07 mm 之間。補償后體對角線定位誤差降低到0～0.019 mm，約降低了73%。

3 結語

通過分析“華中8 型”空間誤差補償功能，并對三軸空間21 項誤差的測量方法進行對比分析，同時結合Renishaw XM-60 和API-6D 激光干涉儀進行測量；分析兩種6 維激光干涉儀的各自的優勢并結合實際應用；完成了空間補償單軸自由度補償方法的推導并建立了空間網格的補償仿真模型。最后配備了空間誤差補償模塊HNC818 系統的三軸數控機床上進行空間誤差補償實驗驗證，數據表明補償后的PPP、PNP、NPP 和NNP 體對角線定位誤差分別降低了57%、56%、56%和73%，與原有的精度相比，有效提升了機床加工點的空間位置精度。