机床加工过程中误差成因及补偿方法分析_周彦斌.pdf

第 50 卷第 2 期 农业工程与装备 2023 年 4 月Vol.50 No.2 AGRICULTURAL ENGINEERING AND EQUIPMENTApr.2023 机床加工过程中误差成因及补偿方法分析 周彦斌(金乡县职业中等专业学校，山东 济宁 272200)摘 要：机床在运行过程中受各种因素的影响，容易产生加工误差，影响工件质量。传统的机床加工误差补偿方法漏补率较高，误差补偿效果不佳。科学分析机床加工误差产生的原因，通过计算机床运行热源参数，基于均匀平滑补偿方法获取误差补偿的相关数据，对各个工序段进行分割处理，可实现误差补偿。试验证明，运用该方法进行机床误差补偿，可行性高，工件漏补率低，误差补偿耗时短。关 键 词：机床加工；均匀平滑补偿；误差补偿 中图分类号：TG659 文献标志码：A 文章编号：20968736(2023)02005102 Cause analysis and compensation method of error in machining process of machine tool ZHOU Yanbin(Jinxiang Vocational Secondary School,Jining,Shandong 272200,China)【Abstract】Machine tools are affected by various factors during operation,which can easily produce machining errors and affect the quality of the workpiece.The traditional machine tool machining error compensation method has a high leakage rate and poor error compensation effect.This paper analyzes the causes of machining errors in machine tools.Based on the uniform smoothing compensation method,the heat source parameters of machine tools were calculated and the relative data of error compensation were obtained.Each working procedure is segmented to realize the error compensation.It is proved by experiments that the method is feasible for machine tool error compensation,with a low workpiece leakage rate and short time.【Keywords】machine tool processing;uniform smoothing compensation;error compensation 机床是工业生产的重要设备，其加工效率和加工精度直接影响着我国工业的综合生产力和国际竞争力1。随着科技的发展，机床的种类越来越丰富，如何提升机床在工业生产中的加工效率，降低其在加工过程中产生的误差至关重要2。机床在加工过程中对精度的要求较高，一旦受到各种因素的影响会产生一定的加工误差，将极大影响到加工效率和产品质量3。现阶段，我国在机床加工技术方面的研究逐渐成熟，但在机床加工误差补偿方法上的研究仍然不够完善。作者简介：周彦斌(1971)，男，山东济宁人，大学本科，主要研究方向为机械加工技术。1 机床加工过程中误差成因分析 机床加工误差种类较多，成因复杂，其中热误差所占比例约为 50%。热误差产生的主要原因是机床运行时周围环境温度起伏较大或机床各个部件运行过热，如不及时处理，不但会降低加工精度，而且会导致废品率上升，影响加工效率和产品质量。此外，车间光照、空调送风、轴承摩擦生热、机床电机励磁发热、丝杠螺母摩擦生热、刀具的相对位置等因素也会影响机床的加工精度。52 农业工程与装备 2023 年 4 月 2 误差补偿方法 2.1 机床运行热源参数计算 机床在加工工件时会产生不同类型的热源，主要有内部热源与外部热源两种形式。外部热源是指引起机床周围环境温度变化的各项因素；内部热源是指能够使机床加工时产生热量的各种组件。要了解热源对机床产生误差的影响，需分别对机床外部热源与内部热源的相关参数进行计算。(1)外部热源计算。机床在加工过程中表面与空气存在一定的温度差，机床外部热源热对流交换功率的计算公式为：aMAPhS TT=-(1)式(1)中，aP表示机床外部热源热对流交换功率；h表示机床与空气之间存在的对流换热系数；S表示机床与空气之间的接触面积；MT表示机床加工过程中接触面的温度；AT表示机床与空气接触面之间的温度。通过计算，可获得机床外部热源热对流交换功率，以计算内部热源的相关参数。(2)内部热源计算。机床加工时组件会产生一定的热量，主要是由于电机能量出现了损耗，根据导线存在的电阻差异，其对应损耗的电机能量也有所不同，电机损耗能量的计算公式为：2cccILPS=(2)式(2)中，cP表示机床电机损耗能量；c表示机床电机绕组导线对应的电阻率；L表示机床电机绕组导线长度；cS表示机床电机绕组导线的横截面积；I表示机床加工时电机产生的感应电流。通过计算机床运行内部热源的相关参数，可为误差补偿提供数据支持。2.2 基于均匀平滑补偿方法补偿误差 采用均匀平滑补偿方法进行机床误差补偿能够有效避免补偿过程中出现的二次误差，提高工件的加工质量。首先对机床加工工艺与运行方式进行分析，以点、线、面的表达方式，结合机床加工图纸，划分机床加工的工艺类型；随后利用传感器的数据采集功能把机床加工中产生的各项误差数据上传到数控系统中，经数控系统分析处理后，建立误差补偿一维线性关系式；最后在此基础上设置机床误差补偿值，对机床进行补偿附加运动。操作结束后，对机床在各个工序段的作业情况分别进行统计，并通过数控系统获取机床对应的误差补偿值与补偿次数，运用误差均匀平滑补偿方法，结合机床运行热源参数计算结果，对机床加工模式进行相应调整，使机床误差得到相应的补偿。3 实验分析 3.1 实验准备 为了对均匀平滑补偿方法的应用效果作出进一步分析，进行了实验。选取某型号机床为研究对象，该机床为龙门式结构，由横梁、主轴、床身、加工平台、进给系统以及辅助设备组成，外形尺寸为 13 500 mm8 000 mm 4 750 mm，机床电机的额定运行功率为 28 kW，电机的最高转速可达 6 500/rpm，体积相对较大，负载较重。机床各个工件刀心与刀轴方位的轮廓误差参数如表 1 所示。表 1 机床工件轮廓误差参数 序号工件 刀心方位误差 刀轴方位误差 1 叶轮 0.014 m 0.006 m 2 叶片 0.008 m 0.007m 3 叶盘 0.007 m 0.006 m 4 螺旋桨 0.012 m 0.008 m 5 发电机转子 0.008 m 0.008 m 6 汽轮机转子 0.014 m 0.009 m 7 柴油机曲轴 0.009 m 0.007 m 根据机床进给轴的运动方位，设定刀心与刀轴的方向矢量，建立机床误差补偿模型，确定机床各个零件在补偿模型中的运动轨迹，在模型中标定机床的坐标轴，分别将机床刀具、刀心、刀轴在加工过程中产生的误差参数输入到该模型中，并结合螺旋定则，确定各个工件误差的变化规律。随机选取机床加工的时间段，根据误差的类型实施补偿方案，对模型中产生的各项误差参数进行动态补偿。（下转第 55 页）第 50 卷第 2 期 李飞鹏 虚拟技术在数控设备维修中的应用 55 需求。虚拟技术结合了计算机仿真、多媒体图形、物联网传感等多种先进技术的优势，具有兼容性强、可靠性高、容错率高、资源共享性突出、不受空间限制等特点。在数控设备的维修过程中应用虚拟技术，可有效提高设备维修效率、降低维修成本，提升生产企业的市场竞争力。参考文献 1 毕新波.CAD 技术在机械制图教学中的应用分析J.内燃机与配件,2021(16):243-244.2 缑瑞宾,乔印虎,司志远,等.关于机电设备故障诊断与维修一体化的探讨J.新技术新工艺,2014(1):119-121.3 乔印虎,张春燕,缑瑞宾,等.项目教学在机电设备故障诊断与维修教学中的应用J.新技术新工艺,2015(8):117-119.4 杨帆,张文娟,孙剑伟,等.基于虚拟仪器技术的机械设备故障监测及诊断系统研究J.粘接,2020,42(6):133-137.5 周建新,张飞,王先平,等.虚拟仿真技术在新型武器装备维修训练中的应用研究J.系统仿真技术,2019,15(3):208-210.6 刘洋,简晓慧,王桂华.基于 JACK 的航空发动机维修性人机核查应用研究J.航空计算技术,2015,45(4):131-134.7 牛亚峰,吴闻宇,周蕾,等.融合虚拟现实技术的交互式电子技术手册在机械制图教学中的展望J.机械设计,2018,35(S2):51-53.8 孙宁,刘贤梅,田枫,等.基于 Unity3D 的机械清罐应急处置系统的设计与实现J.微型电脑应用,2018,34(8):7-9.9 杨大为,张娜,肖安洪,等.基于三维远程可视化技术的前后处理设计平台解决方案研究J.机械设计与制造工程,2015(6):63-66.责任编辑：阳湘晖 英文编辑：唐琦军 （上接第 52 页）3.2 结果分析 为了验证均匀平滑补偿方法的可行性，可采用对比分析的方法，将均匀平滑补偿方法与基于蚁群算法的传统误差补偿方法进行对比，使用误差分析软件对比两种方法的效率和差异，结果如表 2 所示。表 2 两种方法漏补率与补偿修正耗时对比 均匀平滑补偿方法 传统补偿方法 工件 漏补率 补偿耗时 漏补率 补偿耗时叶轮 1.02%103 ms 3.85%264 ms 叶片 0.98%95 ms 5.02%285 ms 叶盘 1.04%98 ms 5.98%198 ms 螺旋桨 0.85%87 ms 6.73%201 ms 发电机转子 0.96%104 ms 8.14%176 ms 汽轮机转子 0.73%84 ms 7.06%188 ms 柴油机曲轴 0.97%96 ms 9.12%173 ms 通过对比结果可知，采用均匀平滑补偿方法，机床各个工件误差补偿处理后的漏补率均小于传统方法，且整体误差补偿修正的耗时较短，具有较高的可行性。4 结语 为解决传统机床加工误差补偿方法存在的缺点，通过计算机床运行的热源参数，基于均匀平滑方法获取误差补偿数据后，对各工序进行分段处理，可有效提高机床误差补偿精度，缩短误差补偿修正耗费的时间，在提升机床作业效率的同时，保证了加工质量。参考文献 1 于栋梁.五轴数控机床加工误差动态修正方法研究J.机械制造与自动化,2022,51(1):56-60.2 肖光临,吕岩,焦丕显,等.数控机床加工精度提高技术分析及其存在的问题探讨J.中国设备工程,2021(8):196-198.3 刘阔,韩伟,王永青,等.数控机床进给轴热误差补偿技术研究综述J.机械工程学报,2021,57(3):156-173.责任编辑：张亦弛 英文编辑：吴志立