随着科学技术的发展，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[1]。本文利用 PLC 机械一体化数控技术对数控机床进行误差补偿模型设计。
1. 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]。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、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[3]。所建立的几何误差模型如下所示： 几何误差模型共有 6 个自由的误差分量，每个几何误差都是通过各个坐标轴的多项误差分量共同组成。通过触发式测头测量各个误差，测头在不同方向靠近机床内部零件时受到的力不同，产生的信号不同，所以测头显示的弹性形变量也有所不同。当测量数控机床的曲面时，测头会在曲面上固定一个点为测点 P（x，y），沿着矢量方向移动到曲面，在运动时会产生预行程误差。机床数控系统会记录整个测头的运行轨迹，以点的形式记录下来，Q（1 x1，y1 ）为测头起点，Q（n xn，yn ）为测头终点，通过记录 P、Q1、Qn 三点的关系计算出误差值，这也是机床能够检测的范围[4]。 2 数控机床误差补偿模型评价 根据前文的阐述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。本文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 （Radial basis function，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[5]。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，通过本文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。各个轴向的几何定位误差如图 1 所示。
3 结束语 三轴数控机床内部零件繁琐复杂，只要一个零件出现问题就会影响到整个机械的运行，因此很容易产生误差。目前数控机床的误差来源主要有以下几个方面：机床几何误差、测头预行程误差、测球半径误差、其他因素导致误差，本文在了解误差来源后设计了数控机床误差补偿模型。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。
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