论文部分内容阅读
摘 要：随着机械技术的发展与测量技术的进步，对数控机床的精度检测要求越来越高。造成数控机床的精度测量误差的原因有多种，对测量的精度产生不同层度的影响，本文对造成误差的原因进行合理分类，同时阐述进行误差定位的具体原理以及测量精度误差的方法。基于现阶段数控机床精度检测中存在的问题，提出具体的补偿工艺，反向间隙补偿法、NC修正法以及具的软件实现流程，旨在从实践和理论两个维度改善机床的测量精度、从而有效提升所加工零件的质量，减少企业在生产中因测量误差造成的产品损失
关键词： 数控铣床;精度检测;补偿工艺
随着机械工程技术的进步以及更加复杂的曲面零件的生产，对数控机床的精度检测技术提出了越来越高的要求，而元器件的加工精度是测量生产工艺流程产品质量的重要标准与指标[1]。但是由于在具体的生产过程中，难以实现流程机械化，因此普遍存在着各种生产和测量误差，从而使数控机床在元器件的加工过程中会出现偏离给定进程目标的情况，因此产生产品的加工误差，大大降低了产品的质量和合格率。所以，基于目前的技术如何对数控机床的加工精度进行补偿与提高现在成为领域内的研究热点。本文基于造成精度检测误差的原因，在分析其产生原因及具体类型的情况下，探讨解决对策，旨在为提升数控机床的检测精度提供参考与借鉴。
1.影响数控机床精度检查重要因素
1.1精度检测误差分类
在元器件的生产过程中由于各种工艺流程的存在，导致影响机床精度的因素较多，很难追踪具体的发生原因。但是基于生产经验与设备因素，根据各种因素对数控机床加工精度的产生影响的效果与原因可以分为如下具体几类：机床控制系统在生产过程中存在误差、机床的几何误差、热力导致的变形误差、切削力度导致的零件变形误差、外界干扰误差以及机床振动频率所造成的误差等。另一方面，如果我们从造成机床误差的不同性质来看，造成机床误差的原因又可以具体分为动态误差与准静态性误差[2]。动态误差大都由于机器在运作过程中造成，由于数控机床是一个复杂的元器件组合体，所以在运行过程中，例如机床的振动、切削力的变化等都会造成数控机床精度检测的动态变化，另外数控机床的主轴随着时间的变化其运行的时间越长，出现误差的可能性就越大，由于是一种随机性变化，所以导致这些误差很难被及时发现与解决，并且不同时间段的误差可能有所不同。由于动态误差与机器的具体运行过程一同变化，导致造成误差的原因十分复杂，例如热力导致的误差，就与机器自身的温度与内部元器件在运行过程中的温度相关。而静态误差，大多数机器本身所携带的一些误差，在购买机床前有可能就已经存在，并且随着时间的变化，机器运行的时间越来越长，这些误差也就会变得越来越大，这也与元器件的老化具有一定关联，属于渐进性变化过程。动态误差大都采取软件进行补偿的方法，在机器运作过程中，可根据不同的误差类型来制定不同的软件补偿流程与策略。
1.2定位误差原理
本次研究使用了激光干涉仪从而对数控机床的具体精度误差进行定位与细密检查。整个测量系统分别由：雷尼绍XL-30激光干涉仪、数据采集卡、计算机以及光学镜组组成。激光干涉仪的具体线性测量原理依据图1所示，在机器运行过程中，从激光干涉仪中射出的激光通过安置的分光镜片A将一束聚集光分散为2束散光，其中一束散光通过事先固定的反射镜片B形成对照光，而另一束散光通过在数控机床测安装的反射镜片C形成研究光，对照光束与研究光束在通过分光镜后通过分光镜的散射与聚合原理，两束光共同汇合成一束光线并产生干涉。
如果已经出现的两束光所处的位置与方向相同，那么经过会合后的光波会明显增强，形成为较亮的光亮条纹;如果两束光的位置与方向相反，那么，就会产生暗度明显的暗条纹。基于两者的不同特点以及条纹变化规律对已经变化的电子进行细分，最终得到主轴距离在运作过程中所出现的细微变化。
1.3精度检测误差测量方法
数控机床的几何误差是影响测量密度的重要因素之一同时也是进行几何误差补偿工艺的基础，而对于数控机床几何误差的测量有具体两种方法。第一种是对数控机床单项误差的直接测量法。如上面已经阐述的原理，选用激光测量仪来对机床在运作过程中的具体误差进行单项多次测量。例如，通过双频激光干涉仪的使用可以方便、快速、直接的对3项坐标正在运作中的机床进行多达18项误差的检查，与其他测量方法相比，该测量方法不干扰机床的运作过程，能够保证机床在产生经济效益的同时发现误差问题，减少企业因停用机床造成的经济损失，另一方面，利用电子水平仪可以检测转角误差。另一种方法为综合性的误差测量具体参数辨别法。该方法从数控机床的整体角度出发，考虑到机床的具体元器件，对数控机床进行定点误差检测，从给定点的空间位置出发，利用计算机同时结合数学辨识模型来对出现的参数误差进行分离，将整体误差转化为具体的单项误差，从而有利于针对性解决[3]。参数辨别法需要与软件与数据处理结合，需要精确的数据分析与处理技术，并且要对误差数据进行预处理，需要一定的计算机知识基础导致过程较为复杂，在实践过程中的应用较少。
反向间隙以及螺距误差是产生几何误差的重要原因，也是对数控机床进行改造和使用补偿工艺的基础。通过上面已经介绍的双频激光干涉仪能够及时测量两者的误差，并为补偿工艺提供借鉴。
2.数控铣机床精度误差的补偿工艺
2.1反向间隙补偿
反向间隙补偿即为齿隙补偿，其主要原理是基于机械传动链在运作过程中会不断的改变转向，如果存在反向间隙的情况，会导致电机空走，但是工作台却未发生指令性运动，造成失动的现象。反向间隙不仅有可能存在于主轴上，在各个机器运动轴上都有可能出现，机器一旦运作，轴的方向在运作中发生改变时，反向间隙的现象就会表现出来，反向间隙的具体产生过程如图2所示。值得注意的是，反向间隙具体值的大小与各个运动轴的具体运动位置不存在关联。轴承杆在运作过程中会出现一定程度的磨损与装置不匹配的情况，这就会导致在整个轴承上的反向間隙会出现一定程度的差异，为了确保数据测量的准确性需要把丝杆基于具体的间隙情况来划分为不同的几个段落。造成反向间隙的重要因素经过调查表明，主要由于机器运作过程中，支撑的主要轴承与承接轴承的轴承座之间有一定的间隙，而这种间隙几乎不受温度变化的影响。因此，可以说明轴承中间部位反向间隙的变化幅度较小，轴承两端部分变化较大，由于数控机床处于半闭环的系统中，轴承两端的反向间隙会对精度造成巨大的影响，所以在进行补偿工艺设置时，应优先对轴承两端反向间隙误差进行处理。 2.2NC修正法在补偿工艺中的应用
数控机床会按照事先制定的数控加工程序进行加工，例如通过数控命令来实现切削刀具和加工器件之间准确的切割定位并实现相对运动。基于这种原理对误差进行补偿首先要计算出预定指令与现实工作中存在的误差，通过对误差值进行反向控制输入以及将误差值反向的输入到数控程序的插補命令上，这样可以实现误差的抵消，从而较好的补偿误差，该方法容易实现，且经济花费小。在实际工作过程中，数控机床的各分支驱动轴承主要依靠NCBIOS中对位置的控制功能来实现命令与运作的对接，其工作原理具体为：位置控制器中的位置控制操作程序会在每个采样周期结束时运作一次，可以及时读入调整后的变化位置，及时调整误差。同时通过对坐标轴运作的实际位置进行采样与比较分析，最终通过误差测控对坐标轴位置进行补偿，从而形成正确的坐标轴位置。通过对比理论位置和实际位置来计算出具体的跟随误差，并通过分析误差所在的具体区间来计进一步计算出进给速度指令的正确数字量，并且通过D/A的转换，最终可以作为应用在单元速度环中的输入数度指令，在轴承运作过程中，通过元驱动的坐标轴运动，从而实现基于位置控制的误差补偿。
2.3误差补偿的软件实现法
目前为止，在数控机床的误差补偿软件实现方法方面，大都采用CNC修正法。例外，FANUC以及SIEM ENS等众多公司，其开发的数控系统会配置有单轴误差补偿功能，这些补偿功能的运作形式与现在被广泛使用的华中数控系统极为相似，在实现过程中，将具体离散点的误差输入到数控系统的误差补偿参数表中，数控系统随之可以自动完成误差的补偿。不同数控系统之间的差别主要体现在补偿点数的不同方面。例如，FANUC与SIEM ENS的数控操作系统在运行过程中可以达到1000多个补偿点，而与此相比华中数控操作系统的补偿点只有100左右，有明显的数量上的不足。补偿点越多就表明数控机床的测量密度越高，例如，所测量到的前后两个补偿点的误差差值甚至低于数控机床可以识别的最小分辨率，这样在对测量点进行补偿时，补偿精度会达到大幅度的提升。
3.结论
在数控机床的加工与运作过程中会出现各种原因导致的精度误差，从而直接影响着产品质量与工艺生产流程。双频激光干涉仪是数控机床在进行精度的定位与检测时所广泛使用的一种专业工具，通过测量精度误差，来为补偿工艺的应用奠定基础。在机床运作过程中会出现动态性误差与静态性误差，科学合理的补偿工艺是有效提升数控机床精度的基础，通过反向间隙补偿与软件补偿的方法可以对数控机床进行多方面综合精度补偿，从而可以使机床在更为精确的状态下进行工作，提升生产流程与生产产品的质量，最大程度减少因精度误差造成的生产损失。
参考文献：
[1] 宇海英. 数控铣床误差检测与补偿方法研究[J]. 金陵科技学院学报， 2008（03）：38-42.
[2] 宋超， 王湘江， 曾超. 数控铣床定位精度测量及误差补偿研究[J]. 机械工程师， 2019， 332（02）：56-59.
[3]林超青. 五坐标数控机床旋转轴定位精度的校正方法[J]. 金属加工：冷加工， 2019（5）：77-80.
关键词： 数控铣床;精度检测;补偿工艺
随着机械工程技术的进步以及更加复杂的曲面零件的生产，对数控机床的精度检测技术提出了越来越高的要求，而元器件的加工精度是测量生产工艺流程产品质量的重要标准与指标[1]。但是由于在具体的生产过程中，难以实现流程机械化，因此普遍存在着各种生产和测量误差，从而使数控机床在元器件的加工过程中会出现偏离给定进程目标的情况，因此产生产品的加工误差，大大降低了产品的质量和合格率。所以，基于目前的技术如何对数控机床的加工精度进行补偿与提高现在成为领域内的研究热点。本文基于造成精度检测误差的原因，在分析其产生原因及具体类型的情况下，探讨解决对策，旨在为提升数控机床的检测精度提供参考与借鉴。
1.影响数控机床精度检查重要因素
1.1精度检测误差分类
在元器件的生产过程中由于各种工艺流程的存在，导致影响机床精度的因素较多，很难追踪具体的发生原因。但是基于生产经验与设备因素，根据各种因素对数控机床加工精度的产生影响的效果与原因可以分为如下具体几类：机床控制系统在生产过程中存在误差、机床的几何误差、热力导致的变形误差、切削力度导致的零件变形误差、外界干扰误差以及机床振动频率所造成的误差等。另一方面，如果我们从造成机床误差的不同性质来看，造成机床误差的原因又可以具体分为动态误差与准静态性误差[2]。动态误差大都由于机器在运作过程中造成，由于数控机床是一个复杂的元器件组合体，所以在运行过程中，例如机床的振动、切削力的变化等都会造成数控机床精度检测的动态变化，另外数控机床的主轴随着时间的变化其运行的时间越长，出现误差的可能性就越大，由于是一种随机性变化，所以导致这些误差很难被及时发现与解决，并且不同时间段的误差可能有所不同。由于动态误差与机器的具体运行过程一同变化，导致造成误差的原因十分复杂，例如热力导致的误差，就与机器自身的温度与内部元器件在运行过程中的温度相关。而静态误差，大多数机器本身所携带的一些误差，在购买机床前有可能就已经存在，并且随着时间的变化，机器运行的时间越来越长，这些误差也就会变得越来越大，这也与元器件的老化具有一定关联，属于渐进性变化过程。动态误差大都采取软件进行补偿的方法，在机器运作过程中，可根据不同的误差类型来制定不同的软件补偿流程与策略。
1.2定位误差原理
本次研究使用了激光干涉仪从而对数控机床的具体精度误差进行定位与细密检查。整个测量系统分别由：雷尼绍XL-30激光干涉仪、数据采集卡、计算机以及光学镜组组成。激光干涉仪的具体线性测量原理依据图1所示，在机器运行过程中，从激光干涉仪中射出的激光通过安置的分光镜片A将一束聚集光分散为2束散光，其中一束散光通过事先固定的反射镜片B形成对照光，而另一束散光通过在数控机床测安装的反射镜片C形成研究光，对照光束与研究光束在通过分光镜后通过分光镜的散射与聚合原理，两束光共同汇合成一束光线并产生干涉。
如果已经出现的两束光所处的位置与方向相同，那么经过会合后的光波会明显增强，形成为较亮的光亮条纹;如果两束光的位置与方向相反，那么，就会产生暗度明显的暗条纹。基于两者的不同特点以及条纹变化规律对已经变化的电子进行细分，最终得到主轴距离在运作过程中所出现的细微变化。
1.3精度检测误差测量方法
数控机床的几何误差是影响测量密度的重要因素之一同时也是进行几何误差补偿工艺的基础，而对于数控机床几何误差的测量有具体两种方法。第一种是对数控机床单项误差的直接测量法。如上面已经阐述的原理，选用激光测量仪来对机床在运作过程中的具体误差进行单项多次测量。例如，通过双频激光干涉仪的使用可以方便、快速、直接的对3项坐标正在运作中的机床进行多达18项误差的检查，与其他测量方法相比，该测量方法不干扰机床的运作过程，能够保证机床在产生经济效益的同时发现误差问题，减少企业因停用机床造成的经济损失，另一方面，利用电子水平仪可以检测转角误差。另一种方法为综合性的误差测量具体参数辨别法。该方法从数控机床的整体角度出发，考虑到机床的具体元器件，对数控机床进行定点误差检测，从给定点的空间位置出发，利用计算机同时结合数学辨识模型来对出现的参数误差进行分离，将整体误差转化为具体的单项误差，从而有利于针对性解决[3]。参数辨别法需要与软件与数据处理结合，需要精确的数据分析与处理技术，并且要对误差数据进行预处理，需要一定的计算机知识基础导致过程较为复杂，在实践过程中的应用较少。
反向间隙以及螺距误差是产生几何误差的重要原因，也是对数控机床进行改造和使用补偿工艺的基础。通过上面已经介绍的双频激光干涉仪能够及时测量两者的误差，并为补偿工艺提供借鉴。
2.数控铣机床精度误差的补偿工艺
2.1反向间隙补偿
反向间隙补偿即为齿隙补偿，其主要原理是基于机械传动链在运作过程中会不断的改变转向，如果存在反向间隙的情况，会导致电机空走，但是工作台却未发生指令性运动，造成失动的现象。反向间隙不仅有可能存在于主轴上，在各个机器运动轴上都有可能出现，机器一旦运作，轴的方向在运作中发生改变时，反向间隙的现象就会表现出来，反向间隙的具体产生过程如图2所示。值得注意的是，反向间隙具体值的大小与各个运动轴的具体运动位置不存在关联。轴承杆在运作过程中会出现一定程度的磨损与装置不匹配的情况，这就会导致在整个轴承上的反向間隙会出现一定程度的差异，为了确保数据测量的准确性需要把丝杆基于具体的间隙情况来划分为不同的几个段落。造成反向间隙的重要因素经过调查表明，主要由于机器运作过程中，支撑的主要轴承与承接轴承的轴承座之间有一定的间隙，而这种间隙几乎不受温度变化的影响。因此，可以说明轴承中间部位反向间隙的变化幅度较小，轴承两端部分变化较大，由于数控机床处于半闭环的系统中，轴承两端的反向间隙会对精度造成巨大的影响，所以在进行补偿工艺设置时，应优先对轴承两端反向间隙误差进行处理。 2.2NC修正法在补偿工艺中的应用
数控机床会按照事先制定的数控加工程序进行加工，例如通过数控命令来实现切削刀具和加工器件之间准确的切割定位并实现相对运动。基于这种原理对误差进行补偿首先要计算出预定指令与现实工作中存在的误差，通过对误差值进行反向控制输入以及将误差值反向的输入到数控程序的插補命令上，这样可以实现误差的抵消，从而较好的补偿误差，该方法容易实现，且经济花费小。在实际工作过程中，数控机床的各分支驱动轴承主要依靠NCBIOS中对位置的控制功能来实现命令与运作的对接，其工作原理具体为：位置控制器中的位置控制操作程序会在每个采样周期结束时运作一次，可以及时读入调整后的变化位置，及时调整误差。同时通过对坐标轴运作的实际位置进行采样与比较分析，最终通过误差测控对坐标轴位置进行补偿，从而形成正确的坐标轴位置。通过对比理论位置和实际位置来计算出具体的跟随误差，并通过分析误差所在的具体区间来计进一步计算出进给速度指令的正确数字量，并且通过D/A的转换，最终可以作为应用在单元速度环中的输入数度指令，在轴承运作过程中，通过元驱动的坐标轴运动，从而实现基于位置控制的误差补偿。
2.3误差补偿的软件实现法
目前为止，在数控机床的误差补偿软件实现方法方面，大都采用CNC修正法。例外，FANUC以及SIEM ENS等众多公司，其开发的数控系统会配置有单轴误差补偿功能，这些补偿功能的运作形式与现在被广泛使用的华中数控系统极为相似，在实现过程中，将具体离散点的误差输入到数控系统的误差补偿参数表中，数控系统随之可以自动完成误差的补偿。不同数控系统之间的差别主要体现在补偿点数的不同方面。例如，FANUC与SIEM ENS的数控操作系统在运行过程中可以达到1000多个补偿点，而与此相比华中数控操作系统的补偿点只有100左右，有明显的数量上的不足。补偿点越多就表明数控机床的测量密度越高，例如，所测量到的前后两个补偿点的误差差值甚至低于数控机床可以识别的最小分辨率，这样在对测量点进行补偿时，补偿精度会达到大幅度的提升。
3.结论
在数控机床的加工与运作过程中会出现各种原因导致的精度误差，从而直接影响着产品质量与工艺生产流程。双频激光干涉仪是数控机床在进行精度的定位与检测时所广泛使用的一种专业工具，通过测量精度误差，来为补偿工艺的应用奠定基础。在机床运作过程中会出现动态性误差与静态性误差，科学合理的补偿工艺是有效提升数控机床精度的基础，通过反向间隙补偿与软件补偿的方法可以对数控机床进行多方面综合精度补偿，从而可以使机床在更为精确的状态下进行工作，提升生产流程与生产产品的质量，最大程度减少因精度误差造成的生产损失。
参考文献：
[1] 宇海英. 数控铣床误差检测与补偿方法研究[J]. 金陵科技学院学报， 2008（03）：38-42.
[2] 宋超， 王湘江， 曾超. 数控铣床定位精度测量及误差补偿研究[J]. 机械工程师， 2019， 332（02）：56-59.
[3]林超青. 五坐标数控机床旋转轴定位精度的校正方法[J]. 金属加工：冷加工， 2019（5）：77-80.