数控机床误差综合补偿技术及应用

李瑞

摘要：数控机床是当今机械制造业中的一个应用广泛的生产设施，使用数控机床进行工作的时候难免会产生一些误差，导致这个误差的原因大致分为热变形误差和几何误差，这两个误差是数控机床比较常见的误差，所以将这部分的内容综合起来分析会更加的有可用性，在本文中会针对这两个方面来分析数控机床误差的补偿技术以及应用。利用好数控机床的误差综合补偿技术的话不仅可以在有效地提升机床加工精确度的同时，为产业带来较高的经济收益。因此，合理高效的应用数控机床的误差综合补偿技术是一个十分重要的项目。

关键词：数控机床;误差综合补偿技术;实施措施

0  引言

数控机床的误差自从很早以前就已经受到了人们的重视，随着时代的不断发展与科技水平的提升，数控机床技术也越来越精湛，伺服进给速度和加工精度、机床主轴转速不断提升，数控机床本身存在的一些问题更加的明显了。不同类型的机床的误差范围都是不一样的，但是热变形导致的误差大致占据总误差的30～50%，这个数据可以表明对于热变形误差的研究是十分必要的，除了热变形误差之外，几何误差同样也是占据了总误差的一个很高的比例，所以要想研究数控机床误差综合补偿技术及应用就要从这两个方面进行切入，慢慢深入研究分析。

1  以多体系统为基础的建模技术

多个刚体或者柔体通过一些特定的形式相互联系所建立的复杂机械系统就是多体系统，同时这个系统也是由任何机械系统通过抽象的方式而建立起来的。其部件主要由滑轮、床身、立柱、工作台以及主轴箱等构成。所以在面对数控机床的误差的时候，要先思考其主要构件的基本运作原理与运行流程，然后根据这个原理来找到最合适的误差综合补偿技术。这个多体系统其实也算是一个比较复杂的结构，所以在数控机床发生误差的时候，任何一个部件的误差都会影响到另外的部件，让其误差在不知不觉中慢慢变大，所以数控机床的误差综合补偿技术需要更加注重其能够带来的影响。

2  低序体阵列和变换矩阵

一个机械系统有很多种形式可以做选择，就拿数控机床作为例子，有卧式、龙门式以及立式等等，这些多样的构件形式让机械系统也变得多种多样。低序体阵列指的是机械系统的拓补结构，一些复杂的抽象的机械系统能够利用低序体阵列变成一个个体的形式，然后投入使用。例如，选择一个体作为基体A，然后在离A较远的一个方向遵循自然增长的数列来标定每一个体的标号，值得注意的是在进行这个标定工作的时候，假如遇到分支，可以在标定完一个分支之后再标定其他的，然后直到所有的个体都有了标号之后结束。低序体阵列里面所表现出来的序号是用来表明个体和个体之间的相互位置关系的。

除了低序体阵列之外，还有一个变换矩阵。举个例子，这个变换矩阵在多体系统中随便两个临近的，其中n1是B1的坐标系上的一个点，然后n2则是B2的坐标系上的一个点，其之间的关系满足{n1}=[SJK]{n2}这个公式，在这里面的[SJK]可以转换成为矩阵，可以由其中的n1和n2相互间的方位角来决定，其中的c=cos.s=sin。然后通过相邻体之间的变换关系，就可以将{n1}转变成为一种惯性坐标系为{n1}=[SOK]{n2}以及[SOK]=II[SJK]，值得注意的是其中的II表示的是多体系统低序体的连乘。

3  丝杠进给系统的热变形误差

丝杠进给系统产生的误差是热变形误差中的一个很常见的因素，所以其解决的应用方式对降低数控机床误差是很有效果的，在机床加工的时候会出现的情况会很多，所以即使是在一样的加工条件下，由于加工的构件的安装位置的变化，導致的丝杠的热变形的情况也各不相同。对于由于这种原因造成的丝杠的热变形补偿，主要的措施有：①引入光栅反馈的全闭环伺服系统，来进行运作。然后对于一些半闭环的机床，则可以采用Renishaw公司开发出来激光反馈实时补偿系统，通过这样的方式保证数控机床的正常运作。②在伺服动态性的这个特点的形式下可以尝试对丝杠进行适当的预警，保证数控机床的正常运作。③进一步改良丝杠母副的冷却系统，能够让数控机床进行更长时间的耐久性运作。④预补偿法，在数控机床的定位误差的时候，可以预补偿一定数量的值，通过这样的方式来补偿热变形的误差，但是这个方式存在一定的缺陷，那就是预补偿后的机床的定位误差容易超过规定的数值，必须多加注意减少误差的出现。

4  滑枕系统的误差综合补偿技术

滑枕系统在工作的时候，系统会处在一个内热源和外热源共同的一个作用之下，且热源不恒定。因为滑枕系统的框架结构是不对称的，加之发热部件和制冷部件在系统之中的排列是不匀称的，此外，滑枕系统之中使用到的各个零部件的制作材料、形状、构造都是不一样的，所以，滑枕系统实际上可以看作是一个繁冗复杂且千变万幻的温度复合场。滑枕系统在这样的温度复合场的冷热作用之下，滑枕系统的组件就会产生所谓的“热应力”和“热位移”。滑枕系统的组件的外表的温度上升越高，其系统的零部件处在这个温度复合场中越久，所受到的热变形就越大，该数控机床的精度就越难把握，误差变大的可能性极高，同时，该机床的热特性也就越差。除此之外，热位移对滑枕系统的组件加工精度的影响力度较之温度复合场更甚，尤其是是滑枕系统前端面的部件的热位移。滑枕系统前端面的部件产生的热位移将会直接反映到铣刀在数控机床的W轴方向的热误差上，滑枕系统的零部件将会沿着数控机床的W轴方向不断膨胀到一个极值，从而导致数控机床的铣削平面变成一个阶梯形状的平面，造成极大的误差。

由于该工作特性的存在，滑枕系统的热变形问题要格外注意，否则很容易产生热变形从而导致误差。热变形参数的测量可以采用卓有成效的五点法进行，就是在主轴上面安装标准芯棒，然后在YX、ZX的平面上分别安装上间距为250mm的电涡流传感器，安装完两个之后，然后在芯棒的那一端安装上一个电涡流的传感器，帮助测量一些数据。热传感器的安装位置在主轴的前端在轴承侧，另外一个则安装在床身可以作为相对温差测量，如此一来就可以得出比较全面的测量数据。在进行实际的实验中，机床的主轴大多数时间是处于最高的转速的70%的工况下运转的，其运转的方式是连续运转，在其运转的过程中是通过电涡流传感器来进行测量的，通过这样的方式可以计算出热变形的误差参数，将这些测量出来的数据代入一些特定的公式里面，就可以通过计算得出误差补偿前后的实际测量结果。

5  加工优化以及加工模拟

数控机床的误差其实主要是由于构件产生的一些运作，所以在构件加工的时候进行把控、优化，就可以让误差在很大程度上得到更好的解决，具体的方式有先将零件的加工总面积通过计算得出数据来，然后再把过度的圆弧半径根据其使用的情况进行一些分类，从而得到比较清晰的一个分类，这个分类可以是根据当前工厂里面所使用的刀具的种类或者半径范围来进行进一步的分类。其次，为了更加方便下一步的运作，可以将其分为一般型和微型两个种类，再分别计算出这两种类型的刀具的过渡圆弧的加工所需要的面积，值得注意的事假如微型这一类的加工面积占据整个面积里面的比值超过了0.25，那么就要考虑去更换刀的时间，否则不换刀具，依旧采用加工环所需要的最大的半径的刀具。如果情况相反，那么就可以考虑加工过渡圆弧，以及换刀满足可以干涉要求的最大的半斤的微型刀，对于其他的地方，则采用常规的刀具[4]。

随着时代的不断发展，科学技术越来越发达，好多的方式在正式投入运用之前，可以进行模拟，利用计算机来进行加工程序的模拟，得到验证。这个方式比较常见的采用方式是线架模块法，通过这个方式能够在荧光屏上显示出刀具的运作轨迹，然后在实际运作的时候，刀具的轨迹可以通过显示刀位点之间的数据来进行模拟运作。在采用这种方式的时候，要首先了解到这种采用实际物体来进行模拟验证的方式是一种比较先进的方式，但是面对二维轮廓加工的时候，因为干涉处理其实已经得到了上一步的验证了，所以可以不用过多的考虑刀具会发生过切的现象产生。因此，整个过程其实就是生成指令的过程的一个逆过程，简单的理解就是将指定的文件转变成为CAD的图形，然后通过电话的方式将其更加具体的展现出来，这样的方式会更加的直观。

数控机床的一些零件的加工也是一种很重要的误差综合补偿技术，并且是能够让误差在产生之前就让误差造成的损失最小化，因为数控机床的整体运作在本质上就是由一个个的部件综合协作而实现的，所以对部件进行更多的优化，能够让误差造成的后果影响尽可能降低，并且能够让数控机床的整体运作得到更高的经济收益。

6  结束语

本文在多体系统的运作基础上進行了分析探索，建立了更加综合的误差补偿技术的通用计算模型，通过各种各样的公式让这个补偿技术更加的具有可行性和科学性。在数控机床的运作期间，其实有很多的外在因素时刻在影响着数控机床的运作，例如切削热、冷却系统以及环境温度等都在时时刻刻让数控机床产生着误差，所以为了减少误差到来的影响，就需要研究数控机床的误差综合补偿技术，并从中得出措施然后投入到使用之中，让数控机床在整体运作的时候能够得到更好的优化，让数控机床在更好的一个环境状况下去运作，并且得到更多的经济效应。数控机床的误差综合补偿技术能够让补偿量到达一个很理想的状态的，但是这个状态是需要科学技术去进行维持的，这也就需要科学技术去进一步的研究探索，得出最好的优化方案，让数控机床能够保持最优的一个状态去运作。

参考文献：

[1]冯文龙.大型数控机床多误差元素建模及综合补偿[D].上海交通大学，2016.

[2]苗恩铭，徐建国，吕玄玄，等.数控机床工作台误差综合补偿方法研究[J].中国机械工程，2017，028（011）：1326-1332.

[3]史弦立.数控机床等效切削力综合误差辨识与补偿技术的研究[D].广东海洋大学，2015.

[4]王妹婷.基于虚拟仪器的数控机床误差采集、参数辨识研究[D].河北工业大学，2015.

[5]李华芳.数控机床液压与气压系统常见故障与诊断[J].工业加热，2020，49（3）：42-44.

[6]皮永乐.数控机床误差综合补偿技术及应用[J].内燃机与配件，2018（12）：104-105.