PLC机械一体化数控机床误差补偿模型设计袁东

袁东

安徽省淮南市职业教育中心安徽淮南232001

摘要：科学技术的发展，人们对机械制造的精度和效率要求越来越高，PLC机械一体化能够有效提高机械的精密程度，加快机器的工作效率。由于机械的加工过程越来越复杂，所以产生误差的来源越来越多。目前的机床误差主要有机床零部件和结构的空间几何误差、热误差、载荷误差、伺服误差和插补误差等。机械误差会严重影响加工质量，因此必须要对各种误差实施测量、评定、补偿和控制，有效的误差补偿模型能够实现上述操作。

关键词：PLC机械一体化；数控机床；误差补偿模型

为加快机器的工作效率，研究了机床系统的主要误差来源，分别为机床几何误差、测头预行程误差和测头半径误差，在分析误差来源的基础上借助PLC机械一体化技术设计了数控机床误差补偿模型，通过激光测试仪测量出三个轴向的各个误差量和补偿量。

1数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义

1.1在现今高科技环境下，制造领域正向高精度、高质量、高集成度和智能化方向发展，人们对机械产品的精度和质量要求越来越高，要求必须采用高精密制造加工技术，而作为制造加工的主要设备数控机床的精度技术，已成为提高制造水平和国际竞争力的关键技术。为了提高我国制造业在国际市场的竞争力，必须提高数控机床加工精度，提高加工精度重要措施之一是采用误差补偿技术。一方面它无需对机床进行硬件改造，另一方面误差补偿技术也无需投入大量资金，便可较大幅度地提高机床的加工精度，它成为不仅促进了机械技术发展，而且起到推广作用。因此，误差补偿技术逐步发展成为当今提高数控机床加工精度的主要方法。以往我们主要集中对数控机床技术在机床数控化方面的研究，而忽略了对数控机床精度问题的研究。近年来，随着我国制造业在国际市场的膨胀，我们逐渐开始关注数控机床的性能，数控机床的精度等，材料、制造、安装、检测、控制、环境等诸多因素都会影响数控机床的精度。我们通过对这些影响因素的综合分析与控制，可同时具备运行高速化、加工高精度化的性能[2]。因此，根据当今机械制造业发展的现状和趋势，我们需要在对国际数控机床技术进行跟踪和超前研究的同时，需要投入人才和资金对一些如高性能的数控系统、高精度伺候控制技术、高精度主轴驱动技术和有效的精度保障技术，以及基础理论之类的制约数控机床加工精度的关键技术进行研究。这样才能从整体上提高数控机床现有水平，提高数控机床的加工精度，为更高层次的综合自动化的开发以及更高层次的精度制造技术的发展奠定基础。

1.2最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1933年，瑞士通过对坐标镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精度的主要因素。由此开始了机床误差的检测、建模和补偿技术研究。就目前来看，在机床误差检测、建模和补偿技术研究和应用中比较有影响的有美国密西根大学、日本东京大学、日立精机、德国柏林工业大学等。其中，美国的密西根大学1996年成功地将热误差补偿技术实施于美国通用（GM）公司下属一家离合器制造厂的150多台车削中心上，使加工精度提高1倍以上。近年来，数控机床加工误差补偿技术以其强大的技术生命力快速地被各国技术人员所认识，并使之得以迅速发展壮大，而今已经成为现代化精密工程的重要技术支柱之一。但从国内来看，数控机床误差补偿技术在工业中应用的例子并不是很多，还没有达到商业化的程度。目前国内误差补偿技术的研究还停留在实验室阶段，还没有看到企业大批量应用误差补偿技术，这说明数控机床误差补偿技术的理论和技术的研究还有待开发。

1.3误差补偿技术研究应达到的要求。（1）研究的指导思想。针对软件误差补偿技术在工业领域难以获得普遍应用问题，提出了用误差补偿器取代原来的PC机，来实现误差补偿的目的。详细阐述了误差补偿技术涉及的多体系统理论学，并利用软件模拟系统实现误差的补偿，用HP双频激光干涉仪对数控加工中心进行误差测量及辨识的主体思想。该研究对误差补偿技术的应用具有重大的理论价值和实际意义。（2）应要达到的要求。通过对数控机床加工误差的主要原因及误差来源进行理论分析，针对几何误差进行多系统理论建模，利用软件模拟系统来实现误差的补偿，用HP双频激光干涉仪来证实误差补偿前后精度的提高。

2基于PLC机械一体化数控机床误差补偿建模

在检测数控机床误差时，可以利用原位检测系统测量工件的精度，将测头安装在机床内部，利用计算机远程操控测头，将最后的测量结果反馈给机床控制系统。测头在工作时会带动主轴进行误差检测，了解机床自身的几何误差，机床自身几何误差会对检测系统的检测精度造成影响。测头在触发时会产生预行程误差，目前数控机床的误差来源主要有以下几个方面：①机床几何误差。机床工作部件在运行时会产生运动误差，检测系统记录的坐标值与机床部件工作的实际位置有所偏差，这种偏差会导致误差的产生。②测头预行程误差。测头从开始工作时就会与机床部件产生接触，但是系统在记录坐标值时与接触值有一定的时间迟滞，而在这段时间内机床工作部件依旧在运行，可是系统并不能记录下来，这样就会产生误差值。测头在安装时会因为温度不同，而出现热胀冷缩的情况，最适合的环境温度为25℃。③测球半径误差。测量时检测系统只能检测到侧头中心坐标范围的点，而无法检测到非被测曲面上所需的点。因此测球半径越大，测量数据误差越大。④其他因素导致误差。除了上述因素外，测头的制造和安装、环境温度、测量路径、算法、测量方位角和测球接触点出现状况也会产生误差。数控机床会同时进行检测和加工，检测过程与加工过程的运动链相似，唯一的区别就是检测时会将数控机床的刀具转变成测头。机床的零件最初安装可能与图纸设计不同，有一定的误差，工作时刀具和测头会出现位置偏差，摩擦力等因素都会影响检测精度，因此必须要建立有效的误差补偿模型提高数控机床的工作精度。目前使用的数控机床多为三轴数控机床：x轴、y轴、z轴。机械在工作时三个轴向同时运行，在水平面会产生18个几何误差分量，竖直面会产生3个几个误差分离，所以一共有21项误差分量，三个轴向的误差方向和误差位移如表1、表2所示。

表1机床误差线位移参数

表1、表2中S、M代表误差方向，下角标代表运动方向。利用表中的误差项建立数学模型，计算出机床几何误差。所建立的几何误差模型如下所示：

3数控机床误差补偿模型评价

根据建立几何误差补偿模型，对上述几何误差补偿模型的各轴向误差进行测量。选用的测量仪为英国雷尼绍（Renishaw）公司生产的TAL-76激光测量仪，测量对象为M-XD48三轴数控机床，机床的x轴长度为1200mm，y轴长度为800mm，z轴长度为550mm。测量时要严格遵守径向基函数（Radialbasisfunction，RBF）的预行程误差测量评定方法。需要特别指出的是，测量要在机器开始半个小时之后进行，确保机床得到预热，整个热量达到平衡，只有这样才能保证测量数据真实可靠。为了提高各个轴向的测量精度，每个运动轴隔5mm就要对数据进行检测，每次检测分为5个循环。机床坐标原点为测量起点，分别在x轴、y轴、z轴选出三个不同的点作为目标点，测头从原点出发向目标点运行记为正向，从目标点出发向原点返回记为负向，根据上述规则对测量路径进行设计。测头每前进5mm，就将测试点记录下来，得到实际值，通过计算指令位置值和实际值得出误差，每项误差在重复5个循环后计算出平均值，将计算下来的每个几何误差参数以文件形式存入计算机，通过给出的机床误差补偿模型计算的x轴、y轴、z轴各个轴向的几何误差近似值。

补偿模型能够有效记录出各个轴向的几何误差，进一步改善机床误差，提高机械的精密程度，是未来补偿数控机床误差必然使用的方法模型。

参考文献：

[1]阮初，数控机床位置不相关热误差在线补偿方法.2017.

[2]周伟，基于PID算法的数控冲床PLC控制系统设计.2017.