数控机床加工尺寸不准的故障排除

摘要：以数控技术为基础的先进制造技术快速地取代传统的机械制造技术，已成为当今机械制造技术发展的趋势。数控机床在制造业中的大量应用，使社会对能熟练掌握数控机床操作、编程及维修人才的需求量越来越大，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。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　维修

数控机床的精度是机床制造者和使用者最关心的问题之一，是衡量机床性能的一项重要指标。如何提高数控机床的加工精度即减小机床的加工误差，就成了人们研究的重点和热点问题，对此国内外的专家学者进行了大量的探索和研究，并提出了很多行之有效的方法。

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。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。

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。

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，同时为了构造融入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

要进行刀具补偿首先对前后两段的轨迹交接类型进行判断，对于直线和圆弧有四种转接形式，即直线与直线相接、直线与圆弧相接、圆弧与直线相接和圆弧与圆弧相接。根据两段程序轨迹的矢量夹角和刀具补偿方向的不同，程序段过渡的刀具半径补偿分为三种转接过渡方式，即伸长型、缩短型和插入型。

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。

3.3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。

软件误差补偿的研究，早在1967年，D.French和S.H.Humphries就提出在数控程序的编程阶段解决数控机床的误差补偿问题，并且成功地实现了对机床反向间隙地补偿。以后，着重应用于坐标测量机检测数据的误差修正。有关重复加工中，检测己加工工件的误差，进而通过修正刀具路线的方法，提高相同待加工工件的加工精度为内容的软件误差补偿技术文献日益增多，反映出软件误差补偿技术具有很强的实用性。