数控机床误差补偿关键技术及其应用

2015-12-21姚映涵

科技传播 2015年19期

关键词：数控机床主轴关键技术

姚映涵

山西经济管理干部学院，山西太原 030024

数控机床误差补偿关键技术及其应用

姚映涵

山西经济管理干部学院，山西太原 030024

数控机床在社会生产中扮演着重要的角色，尤其是以机械化为主的现代社会生产。现阶段，数控技术已成为我国工业领域发展过程中一项不可或缺的生产技术。为促进数控技术及数控机床在工业领域内的进一步发展与应用，本文主要从误差补偿的定义及误差分析，数控机床误差补偿的关键技术与数控机床实时误差补偿技术的实际应用三方面进行论述。

数控机床；误差补偿；关键技术；应用

近年来，随着数控机床发展的日益迅速和应用的日益广泛，其加工精度已成为衡量一个国家工业发展水平的重要指标。数控技术是一项集计算机技术、微电子处理技术、自动化、信息处理等多种现代化信息技术于一体的制造技术，具有自动化、高精度、高效率等特点。由于数控机床在加工过程中总是伴随有误差的产生，而使得机床的加工精度受到一定程度影响。所以，为提高数控机床加工精度，减小加工误差，就需要在实际应用中采取关键技术对误差进行补偿。

1 误差补偿的定义与误差分析

1.1 误差补偿的定义

误差是现实生活中普遍存在的一个现象，它虽然不能够完全消除，但却可以得到有效的降低。其中误差补偿就是减小误差的一个有效方法，也是现代应用较为广泛的一个误差控制方法。所谓误差补偿，是指以人为的方式去制造出一种新的误差来抵消或减弱成为问题的原始误差，并在掌握原始误差特点和规律的基础上，通过运用统计分析、归纳等方法建立出误差分析数学模型，以尽可能使人造误差与原始误差在数值上相近或相等，在方向上相反，从而达到减少加工误差，提高零件加工尺寸精度的目的。工程性与科学性是误差补偿所具有的两个主要特性[1]。

1.2 数控机床的误差分析

误差分析是数控机床误差补偿整个过程中的基础与前提。只有优先对数控机床的误差及其产生原因进行深入的了解与分析，对误差的各个环节进行充分的考虑，全面准确掌握误差的性质与各误差之间的关系，才能够制定出有效的误差补偿措施，才能够保证选择的误差补偿技术是适合的、有效的。通常，误差分析可以从两方面入手：第一，误差产生的原因。主轴、床身、立柱和各种旋转轴是一般数控机床的几个关键组成部分，而每一个部分都会产生误差，所以数控机床误差产生的原因主要有数控机床的运动误差、切削力、刀具磨损、热变形、机床装备误差、夹具误差、机床部件的几何误差等。第二，误差的分类。从误差性质分析，误差可以分为动态误差和静态误差；从误差补偿角度对数控机床的分类分析，其又分为位置误差和非位置误差[2]。

2 数控机床误差补偿的关键技术

2.1 建立几何误差与热误差综合数学模型

以一台具有双主轴和四根运动轴的数控机床为对象，由于有两个主轴所以需要建立2个误差数学模型；由于采用齐次坐标转化法对误差数学模型进行推导，所以为了计算工件与刀尖之间的误差必须要建立一系列坐标系，其中应包括固定坐标系和可移动坐标系，以便坐标可以随着主轴与机床热变形的移动而移动。误差数学模型建立好之后，需要对误差进行综合计算。首先，将两主轴刀尖的位置在对应坐标系中表示出来，然后将其分别转换到中拖板坐标系之后，再转换到大拖板坐标系中，最后转换到数控机床的固定坐标系中。相对于固定坐标系，通过相关计算公式可以得出刀尖的误差[3]。工件误差计算与刀尖误差计算的原理相同，即将两个工件表面正处于被切削点的位置在相应坐标系中表达出来，最后转换到固定坐标系中，通过相关计算公式得出工件的误差。由于刀尖点与工件的正被切削点为同一点，所以将位置坐标、误差元素等有关内容带入到综合误差计算公式中，可以分别得出两个主轴的综合误差。通过对该综合误差分析可以判断出该机床是否含有能够影响机床加工精度的误差存在以及误差数量的多少。

2.2 主轴热误差实时补偿技术

主轴热误差实时补偿技术是依据开放式数控系统的功能特点，通过利用PMAC控制卡对系统中的相关代码进行修改增加实时功能，从而实现对数控机床主轴热误差的实时补偿。该技术的补偿原理是在数控机床的热关键点布置一台智能温度传感器，用以对机床的温度信号进行实时采集，将采集的温度信号经过ARM处理器处理后，经由相关接口将温度信号实时传送到PC端，PC机将接收进来的温度值带入事先建立好的主轴热误差数学模型，从而估算出热误差补偿值。将该误差补偿值带入到数控机床的控制器中，控制器根据原数控程序设计的坐标值和带入的误差补偿值所进行的实时控制刀架附加进给运动来对主轴热变形误差进行修正，最终达到减小误差、提高机床加工精度的目的[4]。

3 数控机床实时误差补偿技术的实际应用

热变形是数控机床误差主要来源之一，尤其是机床的主轴，经常会因转速升温过高而产生热变形误差，从而对机床加工精度造成直接影响。本文以FB260重型数控落地镗铣机床为研究对象，对热变形误差补偿技术在其中的应用进行探讨。

为减小该数控机床的热变形误差，工作人员采用SIEMENS 840D系统建立温度补偿机制，并运用PLC编制温度补偿程序。温度补偿硬件设计的核心是利用热敏电阻将电流或电压值输入到温度传感器模拟输入信号模块，经过PLC程序处理后产生温度补偿值，传送给数控系统，最终完成温度误差补偿。该机床安装的WZP035型号热敏电阻传感器，温度测量范围在0℃到300℃之间，符合重型数控落地镗铣机床6℃到46℃使用温度区间的要求。补偿程序主要用于将温度传感器中的温度模拟输入信号转化为数字信号输出。由于在不同温度下所产生的误差补偿数据也不相同，这就需要对模拟输入信号进行筛选和分析，并将建立好的函数模型转化为PLC能够识别出的公式，将测量出的温度值带入该公式进行计算。温度补偿的具体步骤为：首先，利用相关软件工具生成相应的数据块，将该数据块传送到数控系统的PLC程序中对其进行编写[5]。然后，通过数控系统提供的功能模块向对应参数变量定时写入当前经过计算的斜率，运行程序后即可完成该数控机床的热变形误差温度补偿。