一种龙门铣床误差实时补偿方法探析构建

陀梁荣

（广西机电技师学院，广西柳州 545005）

0 引言

龙门铣床具有加工空间大、承载重量大、刚度大等优点，广泛应用于大型零件的精密加工。龙门铣床尺寸大，其主体部件生产和装配过程中产生的误差，以及加工过程中因主轴、运动轴等产生的热量而引起的热变形，均会对其加工精度产生显著影响。为了减少热变形的影响，误差补偿在机床中得到了越来越多的应用。通过采取合理途径来提高生产结果精准度，对于促进行业经济可持续发展有着积极的意义。

1 误差实时补偿原理

以进给轴x 轴的几何与热综合定位误差曲线为例。假设x轴的温度为T 时，测量得到某段行程的几何与热综合定位误差试验结果。具体内容如下：

在x 轴上随机选择一个参考点（记作点N），假定在x 轴上温度为t0时，该点的定位误差为Q（Nt0）。对于x 轴上a 点位置的误差Q（at）0可以记作：Q（at）0=Q（Nt）0+tanα（t）0×（a-n）。其中，Q（Nt）0表示坐标的温度补偿数值，tanα（t）0表示和位置坐标相关的补偿系数，a 表示需要求解的误差坐标数据，n 表示定位误差的参考数据。

将相应数据带入式中后，可以得到准确的计算结果。在对系统的热误差进行补偿时，只需将热误差作为机床管关键温度数值的计算函数，并对这些关键温度值、误差热补偿数值进行整理，以提高补偿结果的使用价值。

2 误差实时补偿系统开发

2.1 机床误差项分析

在对误差实时补偿系统进行开发时，应做好机床误差项分析，这也是降低零部件加工精度的重要措施。从目前的发展情况来看，机床的制造精度会随着制造技术的快速发展不断提升，这使得零件几何误差、热误差得到了更加有效地控制，但依旧面临热误差问题带来的影响。在机床加工活动中，周围复杂多变的温度也会导致零部件在加工时出现不同程度的热变形，这样也将造成机床热误差的出现。机床作为一个混合结构，不同部件的热特性和边界条件也存在着较大差异，而热源产生的热量传递过程，也存在比例不相等的情况，从而造成机床热误差问题。另外，在机床加工过程中，受到内外热源的共同作用，也会使得整体温度场发生变化，尤其是在机床组成部分形状、材料特性存在一些差异，这样也使得其在同等温度下出现不同的热变形，进而导致加工精度较差的问题。

2.2 搭建机床坐标系

在对龙门铣床误差展开分析时，也需要搭建相匹配的坐标系，这也是量化分析活动的基础条件。在机床加工过程中，两条运动链会在刀具和工件接触时，也会出现结构闭合的情况，因此在坐标系的建设中，应注意以下内容：在机床中设置固定参考坐标系O点，同时也需要在运动轴当中，建立相匹配的局部坐标系，记作A、B、C…，而且在机床主轴上搭建局部坐标系，并且也需在刀具和工件位置布设局部坐标系，这样也为后续建模活动的进行奠定基础。而且无论是哪一个局部坐标系，坐标系的原点需要与机床零点重合。对于得到的数据，需要对其再进行转换处理，基于标准齐次坐标变换原理建立转换矩阵对数据进行处理，从而得到用于数据整理的信息，为后续数据整理奠定基础。

2.3 平动轴热误差分析

在对误差实时补偿系统进行开发时，应做好平动轴热误差分析，这也是降低零部件加工精度的重要因素。从目前的情况来看，主轴主要由导轨结构与溜板结构组成，在理想状态下会沿着某一轴线进行运动，虽然随着制造技术的快速发展不断提升，几何误差、热误差得到了更加有效的控制，但依然面临着热误差问题。在平动轴运动过程中，在导轨间、轴承间相互摩擦以及齿轮齿条摩擦的作用下，平动轴运动会受到大量热量的影响，导致平动轴在运动过程中在不同方向上出现热变形误差，而且坐标轴原点也将沿着机床工作方向出现不同的热漂移误差。机床作为一个混合结构，不同部件的热特性和边界条件也有着较大差异，这样零部件在工作中将受热变形因素影响出现空间误差，这也是后续建立误差坐标系时需要注意的内容。

2.4 旋转轴热误差分析

在对误差实时补偿系统进行开发时，应做好旋转轴热误差分析，这也是降低零部件加工精度的重要因素。从目前的应用情况来看，旋转轴在工作期间，除了围绕回转轴线进行旋转外，在应用中也很容易出现位置偏移与窜动的问题。在理想状态下旋转轴会沿着某一旋转轴线进行运动，但是在实际应用中，旋转轴运动过程会受到主轴高速旋转的影响，并且在热传导作用下，会使得旋转轴运动时受到大量热量的影响，从而造成旋转轴在运动过程中出现不同方向上的热变形误差，而且旋转轴自身电机运动时产生的热量，也会进一步加剧此变形问题，而零件摩擦问题也将是热源产生的重要来源。在具体的分析活动中，也需要将坐标轴原点和参考坐标系原点重合在一起，并且对于方向进行处理，搭配着相匹配的变换矩阵，获取到可靠的定量分析结果，从而更好地完成误差分析工作。

2.5 主轴热误差分析

除了上述分析内容之外，在开发误差实时补偿系统时，应做好主轴热误差分析工作，这也是提高零部件加工精度的重要参考。从目前的应用情况来看，主轴在工作期间经常保持高速运转的状态，其制造精准度较高，很容易忽略结构尺寸类问题，从而造成运动位置偏移与窜动的问题。理想状态下主轴会沿着某一轴线运动，但实际上主轴运动过程会因高速旋转而产生大量的热量，这将造成主轴在运动过程中出现不同方向上的热变形误差，而且主轴中零件摩擦问题也将是热源产生的重要来源。因此，在具体的分析活动中，需要将坐标轴原点和参考坐标系原点重合在一起，同时需要做好刀具偏差、热倾斜偏差、热漂移偏差整理等工作，建立相匹配的变换矩阵，以获取到可靠的定量分析结果，从而更好地完成误差分析。

3 龙门铣床误差实时补偿试验

3.1 外部坐标原点偏移分析

3.1.1 系统各部分信息交互

在龙门铣床误差实时补偿试验活动中，需要做好系统各部分信息交互工作。基于FANUC 0i 系列数控系统，在对外部坐标原点进行偏移分析时，建立的坐标系偏移功能机会借助内置PMC（生产与物料控制）和CNC（数控机床）控制单元来完成机床信息交互处理，从而提升信息交互质量。在具体试验过程中，所设置的FANUC 系统可以细分为两个部分，即调控伺服电动机和主轴电动机，从而更好地调控电气运行部分、获取PMC 信号。在应用中PMC 与PLC 很相似，均属于专用于机床的智能控制器：在PMC 顺序程序的应用中，对于信号的位置进行了标注，而标准的地址程序在应用中也会整理机床信号输入和输出信号，并且信号也会和CNC 的输入信号、内部继电器、计数器、保持型继电器、数据表等进行匹配。每一个信号均由位号、地址号构建，在交互处理环节中可以更加直观地表达出各类信号与地址之间的关系，满足相应数据分析要求。

3.1.2 外部坐标偏移信息整理

在开展误差补偿活动中，需要分析补偿机床热误差，并以此为基础来设置补偿器。在应用中该补偿器属于集成了温度采集模块、位移参数采集模块、传输模块的综合服务系统，主要工作内容有：

（1）模块在应用中会将电脑与CNC 顺利连接在一起，根据实际情况来向CNC 下达相应的补偿指令，为补偿活动的顺利进行奠定基础。

（2）对于温度值与位移值进行采集，以此来搭建相匹配的热误差模型，期间也需要基于所测温度值来顺利得到准确的热误差补偿值，随后也会向CNC 发送相关指令。而且在外部补偿器的作用下，也可以帮助操作人员顺利完成补偿工作，从而更好地完成误差补偿工作，满足相应的使用要求。

（3）在补偿器的设计中，还需要整理机床外部坐标原点偏移情况，并以此为基础来完成误差补偿，从而更好地达到补偿工作，提高分析结果的使用价值[1]。

3.2 补偿实施过程与步骤

3.2.1 外部补偿器与数控系统连接

在龙门铣床误差实时补偿试验活动中，需要做好外部补偿器与数控系统连接工作。根据FANUC 0i 系列数控系统提供的便利，按要求分析外部坐标原点偏移时会建立可靠的通信系统，顺利辅助系统完成机床信息的交互处理，提升信息交互质量。在具体的试验过程中，FANUC 系统实时补偿器一般会被安装到电气箱的底部，在工作中可以对外发送信息，而且在并口位置也可以利用并口顺利实现PMC 连接。在应用中并口同PMC 功能上的寄存器也会整理机床信号输入和输出信号（信号会和CNC 数据表进行匹配，每一个信号均由位号、地址号构建），这样在信号关联处理中也会对这些信息进行整理分析，从而更好地满足相应的数据分析要求，提高数据分析结果的使用价值[2]。

3.2.2 数控系统梯形程序的编制

在搭建外部补偿器与机床CNC 系统后，为了更好地完成外部补偿器与机床CNC 寄存器的关联性，实际应用中还应对CNC系统中的PMC 展开软件编程，作用是对已有信息展开梯形编程语言处理。但这类语言在使用中也会内嵌在CNC 系统中，因此该步骤在应用中也会借助机床数控系统提供的便利，在特定语言环境中对语言进行编辑，随后将这些信息录入CNC，以满足相应的编制要求。同时在补偿软件的应用背景下，所建立的热误差预测模型也会在PMC 中接入I/O 接口，其作用是将热误差补偿数据顺利传入CNC 系统，从而完成相匹配的梯形程序，提升补偿器工作状态的稳定性。而且在控制程序的工作中，还会对CNC 坐标系偏移值进行整理和检查，除了对上下限数值进行设定处理外，需要整理一次偏移量，如果其数值超出设定范围系统则不会输出到CNC 控制器。如果完成了数据信号和地址的设定，那么在应用中也需增加时间延迟，这样可以确保数据闩锁维持在稳定工作状态，此时ESTB 在工作中才可以顺利地从低电平拉伸到高电平，避免时序不正常造成数控机床故障[3]。

3.3 误差补偿效果验证

为了校核利用外部坐标偏移功能顺利定位误差补偿效果，需要做好补偿实验工作。在具体应用中，需要对补偿结果进行检测，校核内容涉及工作台X、Y 轴定位误差，以及热机工作台X、Y 轴定位误差情况，整理进行补偿处理和未补偿处理情况下的数据情况。统计数据显示，在系统冷机状态下，其在X 轴、Y 轴上的定位误差也从最初的45.6 μm、8.6 μm 分别下降到完成补偿后的13.6 μm 和1.6 μm，定位误差下降幅度超过65%；在系统热机状态下，其在X 轴、Y 轴上的定位误差也从最初的16.6 μm、20.6 μm 分别下降到完成补偿后的3.6 μm 和1.9 μm，下降幅度超过70%，具备良好的应用效果[4]。

4 结论

综上所述，在数控铣床工作期间，做好误差补偿工作属于非常重要的工作内容，应采取合理措施来降低定位误差，这对于提高零件生产质量和成品合格率有着积极意义。