数控机床加工尺寸不准的故障分析

刘洋 董磊

[摘要]本文在对数控机床加工尺寸不准故障方面展开探讨，另外也分析了其中模块刀具补偿和补差算法，以期利用计算机自动求解出控制机床精密运动的代码，实现对机床的精密控制。最后，提出精密数控系统整体设计中的5个模块设计。同时，借助于机床装备制造业来大力推广误差补偿技术，并且在机床的设计制造过程中融入精度再生的理念。

[关键词]数控机床 尺寸 分析

[中图分类号]：TG659

[文献标识码]A

[文章编号]1672—5158（2013）05—0085—01

1造成数控机床尺寸不准的原因

数控机床通常是由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、伺服电机、工作台（或刀架）的位置反馈测量装置等组成。在零件加工时，数控装置按照控制介质上的加工程序，通过数控系统的数字运算后向伺服驱动装置发出控制信号，驱动伺服电机转动，再经滚珠丝杠螺母传递给工作台（或刀架），使工件与刀具之间产生相对运动，同时位置检测反馈装置将工件与刀具之间的实际相对移动量转变成电信号（如电脉冲信号等）反馈给数控装置，数控装置将指令转位量与反馈的实际转位量进行比较（其具体比较量根据伺报系统不同可分为相位、幅值、数字），将其差值又控制工件的相对移动，当工件与刀具相对移动量与指令移动量相符时，工件与刀具之间停止相对移动，从而加工出符合程序设计要求的零件。

但在实际加工中却时常出现工件与刀具之间并未完全按照指令值进行相对移动，造成加工零件尺寸与设计不符。下面就以目前我厂应用最多的半闭环数控机床为对象进行分析，可将它分为两部分：第一部分是伺服电机的实际转位值与指令转位值不符；第二部分是伺服电机的实际转位值与指令转位值相符，但工件与刀具的实际相对移动未达到要求。

2数控机床误差补偿技术背景

误差补偿技术发展40年来，国内外众多学者的不懈努力推动着误差补偿技术的不断向前发展。误差补偿的传统途径有硬件补偿和软件补偿两种。本文研究的是软件误差补偿，它是依据误差补偿算法设计开发出应用软件，对要加工的数控代码进行处理，得到补偿后的数控代码，用以控制机床加工。软件误差补偿技术的研究包括三个方面：数控机床误差建模技术；误差参数测量和辨识技术；误差补偿实施方法。

2.1数控机床误差建模技术

数控机床误差建模技术，要实现高精度误差补偿的首要问题是如何精确的建立数控机床空间误差（几何误差、热变形误差、载荷变形误差）的计算模型。其中，几何误差建模多种多样，早期的研究是用三角关系来推导几何误差模型。比较有代表性是Rahman等基于齐次坐标矩阵建立起多轴数控机床的准静态误差综合空间误差模型，改模型还包含了几何误差、曰转误差、热误差和机床部件弹性变形误差。如今多体系理论为基础研究机床集合误差建模及补偿方法成为主要发展方向。然后，机床的热变形误差也是补偿技术的难点，早期研究方法由经验计算和数值计算，但前者通用性比较差，特别是参数变化较多，难以解决；后者利用实验数据分析热源和传热情况，计算结果比较准确，但是缺点是计算时间较长，且无法实现实时补偿。目前，利用专家系统、神经网络、模糊控制等人工智技术发展，给误差补偿带来新的发展。载荷误差主要体现在大型或重型机床上，如镗铣床滑枕悬臂的下垂变形，龙门铣床主轴箱移动引起横梁变形等，关于这方面研究较少。

2.2误差参数测量和辨识技术

几何误差的检测方法主要有下述两大类：单项误差直接测量法和综合误差测量参数辨识法。首先，单项几何误差直接测量法，利用用相应的测量仪器，对各项几何误差逐一进行测量，得到各项误差。如用光栅尺、磁栅尺设备来测量螺距误差等。这些方法效率低、精度差，难以实现自动测量，不能满足现代高生产率的要求。再者，综合误差测量辨识方法该方法是对机床工作区域内指定点的定位误差进行测，通过数学模型对其测量点的综合误差进行辨识，间接得到机床各项误差的离散值。综合误差测量辨识方法常见的有：光栅阵列法、双球杆（DBB）测量法、一维球列法、平面正交光栅测量法等。这些方法往往测量仪器简单，效率高，操作方便。

2.3误差补偿实施技术

最传统的误差补偿方法是借助凸轮、靠模、校正尺等机械式误差补偿机构，实现对精密机械系统的误差进行修正的方法。虽然这类方法有一定的成效，但存在设计周期长、结构复杂、笨拙、成本高、柔性差等问题，难以满足现代生产及市场竞争要求。随着计算机、电子和检测技术的不断发展，以及人们对机床自身运动规律的认识不断深入，1961年出现了以机床运动误差建模及误差补偿专用功能芯片为主体的硬件误差补偿方法，逐步取代了传统的机械式误差补偿方法，并取得明显效果。

3数控系统中模块刀具补偿和插补算法

误差补偿是以数控机床的刀具中心路线为输入量的，首先必须精确计算出刀具中心点的坐标值，同时为了构造融人误差补偿功能的数控系统，也必然要涉及到插补模块。因此，刀具补偿和插补算法是本论文研究中的两个重要的基础内容，也是数控机床精度再生关键技术基础。

3.1刀具补偿算法介绍

在进行零件加工程序（G加工代码）的编程时，一般用零件的轮廓形状进行编程，故刀具中心的运动轨迹总是偏离零件轮廓表面一个刀具半径值。为使刀具最终加工轮廓与零件轮廓相符合，需要使刀具中心轨迹向外或向里偏移一个刀具半径值，称为刀具半径补偿。刀具补偿由刀具长度补偿和刀具半径补偿组成。不同类型的机床与刀具，其刀补参数也不同。这里，刀具长度补偿通过给定刀具中心在主轴端面中心坐标系中的位置矢量来补偿，重点就是半径补偿。精密加工系统必须正确、全面地考虑刀具补偿，否则得到的仿真结果将和实际加工结果存在着偏差。尤其是数控铣削加工部分中的关于程序段之间转接判断和转接点的计算，其中也必须遵守刀具半径补偿算法的规定，即程序段轨迹角度和刀具半径矢量的规定。

3.2差补算法介绍

由于数控程序中的数据值只能是一段轨迹的起点和终点坐标值，因此，在起点和终点之间要进行“数据点密化”工作，即插补过程。插补工作对数控机床而言，一般是由硬件中的运算器来完成的，而在本仿真软件中，则可利用软件方法来实现，把每次模拟插补计算产生的指令信号输出到计算机显示器终端，驱动显示器的彩色象素点工作，从而动态、实时地显示刀具的当前位置，进而动态显示出刀具在整个加工过程中的切削运动轨迹，实现对数控程序代码的仿真。一般，对于实时和高速没有特别的要求，可以采用的是逐点比较脉冲增量插补算法。

4总结

以上对数控加工机床出现加工尺寸不稳定，就实践中较易出现的几种原因进行了分析。在具体故障判断中，要求我们仔细观察故障的细微变化与不同，运用电气与机械知识，对其进行全面分析后，方能准确找到故障点及时排除。本文以数控机床精度可再生为研究内容和目的，在回顾数控机床误差补偿技术研究进展基础上，分析了其中模块刀具补偿和补差算法，以期利用计算机自动求解出控制机床精密运动的代码，实现对机床的精密控制。最后，提出精密数控系统整体设计中的5个模块设计。同时，借助于机床装备制造业来大力推广误差补偿技术，并且在机床的设计制造过程中融入精度再生的理念。

参考文献

[1]余峰浩，浅谈数控加工中心的安装与调试[J]机械工程与自动化，2006，（01）

[2]刘博，徐庆华，经济型数控机床加工中误差来源分析及其对策[J].中国科技信息，2006，（04）