数控机床误差综合补偿技术及其运用措施

2023-03-05钱奇峰傅杨程

科海故事博览 2023年2期

钱奇峰，傅杨程，王浙

（永成集团有限公司，浙江诸暨 311800）

自数控机床开始应用以来，人们就开始关注其生产过程中的误差。在技术的推动下，数控机床技术的加工精度不断提升，这对于推动我国工业的发展具有重要意义。但热变形误差和几何误差的存在也在很大程度上限制了数控机床加工产品的应用范围，尤其是高精尖的领域对于零件的加工精度有着较为严苛的要求，这对数控机床加工工作而言无疑是一种挑战。因此需要以数控机床误差的实际情况为基础，通过不断创新补偿技术，提升应用水平，才能改善我国的产品加工质量，让机械制造业更好地为其他领域服务。

1 数控机床误差概述

1.1 数控机床产生误差的原因分析

通过对当前数控机床加工模式的研究可以发现，影响误差的因素主要表现在以下几个方面：

第一，数控机床设备的空间位置误差。由于外力、受热等因素的影响，数控机床的刀具在工件部位会产生一定程度的偏差。另外，数控机床的伺服系统在工作过程中，由于跟踪处理、传动结构以及位置检测等流程的影响，也会发生一定程度的位置变化，从而导致加工误差的存在。

第二，由于数控机床加工过程中需要根据工艺的具体需要调整刀具。在刀具使用过程中，由于摩擦生热以及外部因素的影响，刀具变形、伸长以及磨损问题也经常出现，这些因素都会导致加工误差的出现[1]。

第三，加工件材质以及夹具变形造成的位置误差。在利用数控机床加工工件时，由于加工材料存在差异，因此切削热对材料的影响程度也有不同，装夹系统也会由于切削热和工件的材质等问题发生不同程度的变形，从而形成随机误差。

第四，机床检测过程中形成的测量误差。在数控机床加工的过程中，有时需要进行尺寸检测，在检测过程中由于测量工作本身存在误差，也会导致零部件出现误差，这也是具体加工作业过程中需要关注的重要方面。

1.2 误差补偿技术类型分析

在数控机床的加工过程中，主要利用数控程序控制伺服系统进行运转，并按照步骤完成加工过程。数控加工的优势是自动化程度高、加工品质统一、加工效率高，但与人工操作机床加工相比，也存在不能随时检测加工量、加工的主观能动性不足等问题。就目前而言，数控机床误差补偿技术主要包括实施补偿法、静态补偿法以及综合动态补偿法三种形式。三种补偿方式各有优缺点，在具体应用时需要结合工程实际进行选择。

其中，静态补偿法处理方式操作相对容易，但灵活性不高；实施补偿法处理方式相对于静态补偿法更加灵活，有效减少误差的影响。但这种调整补偿也有一定的局限性，具体而言，实施补偿法不能对双轴和三轴联动的机床进行调整，因此其补偿的功能只能局限在一定的范围内。综合补偿法作为一种数控机床加工处理的新方法，能够提升补偿处理的针对性，从而有效降低误差对工艺生产的影响[2]。

2 数控机床误差综合补偿技术

在数控机床加工过程中利用误差控制系统可提升产品的加工质量。另外，将先进技术与智能控制系统结合起来，能够进一步提升数控机床的控制水平和工作效率，推动我国机械制造业的进一步发展。

2.1 误差模拟及控制技术

数控机床设备加工时，利用误差模拟技术检测被加工零部件存在的变形情况，并对其进行相应的检测与评估，对机床加工生产的流程进行分析。在科研人员的不懈努力下，国内数控机床加工精度不断提升，大幅度增加零部件加工精度，提高国内产品在市场上的竞争力。

数控机床误差补偿技术通过测量与计算各零部件的误差，具体包括零件出厂差异以及加工过程中的热变形情况、承重变形情况。技术人员通过分析与比对差异数据，利用补偿公式计算。通过研究和实践可以发现，数控机床误差模拟技术在实践中优势显著，但这种补偿方式的通用性不强，一旦遇到参数多变的生产环境，这种技术的应用准确性不高，因此其应用具有一定的局限性[3]。

2.2 准确测量机床加工误差

数控机床加工时，零部件外形误差是不可避免的，通常选择误差测量法与综合测量辨识测量法进行。前者测量技术使用时，需要借助精密误差测量设备的优势，完成对数控机床各项零件设备的测量工作。如，测量3D 数控机床误差项时，测量重点误差内容时选择双频激光器，其他部位测量则选择电子水平仪即可。

以上两种设备的精度较高，因此能够提升测量工作的准确性。误差综合测量辨识法，扫描测量数控机床的特定位置，将所得数据转为数字模型，通过对比数字模型数据与原始参数，锁定误差数值。在应用这种方式开展误差测量工作时，相对准确，并且设备的投入较少，因此在数控机床测量工作中具有非常广泛的应用。

2.3 加工误差补偿方法

数控机床加工时误差补偿方法种类较多，主要可分成三类：其一，NC 系统补偿法；其二，前馈补偿法；其三，反馈补偿法。NC 系统补偿法会影响到数控机床使用，具体零部件加工时，通过NC 系统操作完成相关指令。这种方法通过脉冲测量误差，之后将测量数据与初始数据进行对比分析，计算机系统在接收到数据之后会立刻展开分析，然后使用反馈补偿法对误差进行处理，采用这种方式能够保证误差补偿的准确度。

另外，使用这种转换数码程序的方式进行误差补偿，效果相对比较明显。前馈补偿法对伺服电机进行调整，从而完成误差的补偿处理。这种方法在具体的应用过程中，从而确保设备的平稳运行；反馈补偿法，利用计算机处理所得的误差数据，利用这种方式补偿误差。在应用反馈补偿法时，应用号光栅技术设备进行处理，保证处理效果。

3 综合补偿技术在数控机床中的应用

3.1 多体系统数控机床误差补偿技术

多体系统数控机床的零件较多，组织结构复杂，因此影响最终误差的因素也相对较多。需要从构成零部件入手，通过深入分析零部件的运作流程，科学选择误差补偿技术，从而有效减少机床误差对零件加工的影响[4]。

随着信息技术的飞速发展，机械数控加工技术迎来了一个全新的发展局面，可以借助机械数控编程系统对产品需求进行提前设置，对整个数控系统的工作模式进行调整，在实现智能化发展的基础上，针对编程技术进行不断发展创新，使得机械加工效率不断推进，结合具体的产品生产需求，借助智能化编程技术的应用，可以针对整个图纸设计进行完善。在此，只需要建立明确的加工目标，配合编程人员的编程技术，降低人为因素的不利影响。此外，编程人员在实际工作中一定要坚持与时俱进，不断创新的原则，借助信息技术的辅助，不断提升对编程技术的应用，针对智能化加工系统的缺陷进行不断改进和完善，结合现有国内外优秀机械设备加工理念。

3.2 热变形误差的控制

数控机床使用过程中热变形问题较为常见，这也是出现丝杠变形的主要因素之一。要想解决这一问题，需要根据实际情况采取补偿措施。具体可以采取以下措施：其一，制冷系统的改进。提升丝杠系统的耐热性，从而有效避免受热导致的形变问题，提高数控机床的加工精度。其二，针对目前数控机床的系统，半闭环伺服系统可以利用激光补偿的方式确保系统的稳定运行。

就当前而言，我国相对于发达国家，在数控机床加工流程上还存在一定的差距。对此在具体加工过程中，需要做好机床零件质量的把控，充分利用现代技术和理念做好创新工作。在具体操作过程中还需要结合实际情况选择相应的误差补偿措施，利用先进设备做好误差的测量、计算以及分析工作，有效减少零件误差对机床加工的影响，助力我国机械制造业的进一步发展[5]。

3.3 做好刀具研磨与优化

数控加工过程中会产生大量切削热，加工运行时刀具与各类材料接触面积不断增加，造成切削阻力与摩擦力逐渐增加，在诸多力作用下产生切削热。随着刀具磨损程度增加使得切削热产生量增加，影响到加工质量，使得断刀概率增加，降低设备使用效率。

刀具研磨的作用是为了去除刀具使用过程中产生的磨损和缺陷，以此保证刀具在数控加工活动中的正常使用以及数控器械的正常运行，确保加工效率。正常情况下，随着切削刀具使用时间和次数的不断提升，其磨损情况也会与日俱增，进而将切削力量抵消，出现发热、机械振动频率增大等现象，而且随着刀具磨损的发生，会对加工质量和效率产生严重影响。另外，随着磨损加剧，会导致刀具位置和孔壁质量等发生变化，不仅影响正常使用，缩短刀具寿命等，还会增加刀具断裂的风险，对加机械加工人员生命安全造成威胁。因此，在开展数控加工活动时，针对切削刀具一定要定期进行科学研磨，去除其磨损层，针对刀具锋利度进行全面强化。但要注意，在进行研磨时，还要关注研磨次数和频率，因为过多的次数和频率会导致道具厚度迅速减小，影响使用寿命[6]。

3.4 做好数控机床保养

数控机床设备的故障发生会扰乱制造生产企业原有的生产计划，严重时还会造成企业的经济损失。为了减少数控机床设备的故障发生率，应加强数控机床设备的保养。目前，数控机床设备的保养模式主要包括用后保养模式、预防保养模式及预测保养模式等。

3.4.1 用后保养模式

建立并完善数控机床设备数量及型号的基本资料，主要包括设备名称、产地、型号、数量、使用年限、保存位置及购入价格、时间等资料。根据统计结果，实现不同数控机床设备的管理与定期维护，做到有据可依。在进行数控机床设备维修与保养过程中，认真记录保养信息，减少由于数控机床数量、型号等较多带来一定的维修保养难题。数控机床用后保养模式就是在数控机床设备故障发生后进行保养，可以在较短的时间内完成数控机床设备的保养，可以降低数控机床的故障发生率，避免数控机床设备后期发生较大故障后影响生产的正常进行，避免造成企业的经济损失。

3.4.2 预防保养模式

数控机床预防保养模式主要是定期(周保养、月保养、季保养、年保养等)进行数控机床设备的保养与维护，对数控机床进行定期检查与测试。根据测试过程中发现的问题及时进行维修与调整，可以预防数控机床设备的故障发生，降低日常数控机床保养投入成本。数控机床设备的精准保养及维护过程是一个涉及多个部门联合实施的管理过程，从管理人员到操作人员，最后到保养维修技术人员都是数控机床精准保养的主体部分，因此，未来应该加强控机床精准保养人员配置，实现数控机床精准保养与维修技术效率的最大化。

3.4.3 预测保养模式

数控机床预测保养模式是近期发展的一种设备保养模式之一，主要是对数控机床日常运行情况进行监测与诊断，在必要时进行数控机床的保养与维护，提高设备保养效率，时刻维持设备的良好运行状态。

3.5 数控机床空间误差补偿

利用软件技术结合误差检测结果进行空间误差补偿已经经历了多年的研究和应用，技术理论的早期研发者为法兰克公司（FANUC）和西门子公司（SIEMENS），主要是利用误差检测的数据开展资料分析，并利用分析结果控制机床进行刀具位置的调整，再利用误差检测技术进行刀具位置调整后的验证。在传统的数控车削加工过程中，主要采用直接修改程序代码的方式进行修正，这种方法简单便捷，但是对生产过程中出现的新的误差问题适应能力不足，基于这一问题，现阶段的数控机床误差补偿多采用以下两种适应性更好的新技术。

（1）原点平移误差补偿是一种实时补偿误差的新技术，其特征是在完成误差补偿的同时不改变源程序代码，只通过分析误差因素对系统的原点位置进行调整，使原点向误差的反方向平移，达到修正的目的，具有简单、对控制过程干扰小、效果显著的特点。（2）反馈截断式误差补偿是利用编码器的反馈信号增加或减少反馈脉冲实现误差补偿，利用机床综合误差相等的脉冲信号与编码器反馈信号进行相加或相减，实现快速修改反馈信号，从而实时调节机床运动轴的位置，该技术应用过程相对复杂。