激光数控加工误差控制滤波技术研究

引言：从某种程度而言，数控加工技术的发明与应用是机械制造领域的一个时程碑，其不仅大大提高了金属切削加工的效率与精度，而且大大提高了加工操作的便利性。当然数控机床加工需要操作人员具备编制加工程序的专业水平，且数控编程及加工也是消除或降低加工误差的关键技术，因此实际生产过程中要采取合理的误差补偿技术提高加工精度。

1 激光数控加工系统概述

激光数控加工系统是以高能量密度激光束为“刀具”，通过精确控制激光束的聚焦、导向和移动，实现各种材料快速、高精度加工的一种集激光技术、数控技术和先进机械设计为一体的现代化制造设备。系统主要由核心部件组成，如激光发生器光学系统、CNC装置、机械传动系统和辅助装置等。

作为系统的能量来源，激光发生器可以在光学系统聚焦、整形后，产生稳定、高强度的形成微小光斑的激光光束，照射到工件表面的速度和精度都非常高。数控装置则负责接收和解析来自CAD/CAM软件的加工指令，将伺服电机、导轨等部件精确控制在机械传动系统中，驱动工件或激光头按预定轨迹三维移动，通过复杂的算法和高速的数据处理实现工件外形尺寸的精确加工。

2 误差来源分析

2.1 机械误差

机械误差它主要源于机械部件的制造精度、装配精度以及长期运行后的磨损和变形。机械部件如导轨、轴承、伺服电机等在制造过程中，由于工艺限制和材料特性，会存在一定的尺寸偏差和形状误差。这些误差在装配过程中会进一步累积，导致整个机械传动系统的精度下降。此外，随着使用时间的增长，机械部件会因磨损、疲劳和温度变化等因素而发生变形，从而影响加工的精度和稳定性。机械误差的存在，会导致激光束的聚焦位置、移动轨迹和加工速度等参数发生偏差，进而影响加工质量。

2.2 热误差

激光束和工件在激光加工过程中相互作用，会产生大量热量，造成工件温度升高、机床部件温度升高，会产生热变形和热应力，从而影响机床的几何精度和动态性能。因为不同材料的热膨胀系数不同，机床各部件之间的导热不均匀。另外，若散热不良，会导致激光束稳定性、方向性改变，进一步影响加工精度，同时，激光发生器本身也会在运行过程中产生热量。

2.3 测量误差

在加工过程中，为了保证加工的精确性，需要精确测量工件的位置、大小、形状等。但是，测量结果与实际值之间存在偏差，是由于测量设备的精度限制、测量方法的限制和操作人员的误差等因素造成的。在加工过程中，这些偏差会被放大，加工精度和稳定性都会受到影响。测量误差的存在不仅会造成加工尺寸的偏差，而且对加工的位置精度、表面质量等都会造成影响。

3 滤波技术在误差控制中的应用

3.1 巴特沃斯滤波器

作为一种电子滤波器，巴特沃斯滤波器也被称为最大平坦滤波器，其特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏或纹波，而在阻频带则逐渐下降为零。这种特性使得巴特沃斯滤波器在信号处理中能够有效地保留信号中的有用成分，同时滤除噪声和干扰。

在激光数控加工系统的误差控制中，巴特沃斯滤波器可以应用于对测量数据或加工过程中的信号进行滤波处理。通过对原始信号进行滤波，可以去除由于机械误差、热误差以及测量误差等因素引入的高频噪声和干扰，从而得到更加平滑和准确的信号。这有助于提高加工精度和稳定性，减少工件尺寸偏差和形状误差。

此外，Bartworth滤波器的优点还在于设计简单，性能稳定，易于实现。它的频响曲线在通频带内保持平坦，使得原始讯号中大部分的资讯都能被滤波后的讯号较少失真而得以保存。同时，Bartworth滤波器的阶数越高，波幅在阻频带中衰减的速度就越快，对高频噪音和干扰的抑制也就越好。

3.2 最小二乘法滤波

最小二乘法滤波法是以最小二乘原理为基础，通过最小化误差的平方和最好的函数匹配来寻找数据的一种广泛应用于误差控制的数学方法。在LaserNC加工系统中，为了提高加工精度和稳定性，在加工过程中使用最小二乘法滤波对各种信号进行处理和分析。具体地说，通过拟合测量数据，最小二乘法滤波可以在减少噪声、误差等因素引起的波动的同时，最好地反映数据的真实趋势，得到一个平滑的曲线或曲面。在LaserNC加工中，为了消除机械误差、热误差和测量误差造成的数据波动，提高数据的准确性和可靠性，这种滤波法可以用来处理位置数据、速度数据、加速度数据等。最小二乘法滤波器的优点是简单，而且比较结实。适用于各种类型的数据处理，不需要假定数据的分布特性。同时，最小二乘法滤波也可以对数据中的异常和遗漏进行有效的处理，使数据的完整性和可靠性得到提高。在LaserNC加工系统中，这意味着即使有一些不确定的误差源存在，最小的二乘法滤波仍可以提供确保加工质量和效率的稳定加工结果。

3.3 高斯滤波

高斯滤波其基本原理是，通过对图像或信号中的每一个像素或数据点及其邻域内的其他像素或数据点进行加权平均，从而达到平滑处理、减少噪声的目的。在高斯滤波中，权重值是根据高斯函数来分配的，即离中心像素越近的像素点权重越大，反之则越小。

在激光数控加工系统中，高斯滤波被广泛应用于对加工过程中的图像信号、位置信号等进行预处理。通过高斯滤波，可以有效地去除由于机械振动、温度变化等因素引起的高频噪声和干扰，提高信号的信噪比和稳定性。同时，高斯滤波还能够保留信号中的低频成分，即真实的加工信息，从而确保加工过程的准确性和可靠性。高斯滤波的好处不但是平滑效果好，抑制噪音的能力强，而且不会把附加的误差引入其中。另外，高斯滤镜的设计比较简单，也很容易调整。

3.4 激光数控加工轨迹误差控制器

3.4.1 模态滤波控制器设计

激光数控加工轨迹误差控制的一个关键环节就是模态滤波控制器设计。该设计的目的是对加工过程中的模态误差进行有效识别和抑制，从而通过对特定的滤波算法提高加工轨迹的精度及稳定性。模态滤波控制器一般利用传感器对加工过程中所处的方位及速度信息进行实时采集，经过滤波器对采集到的信号进行模态分析，结合先进的信号处理技术和控制系统理论。控制器可以针对性设计滤波策略，并对各模态的误差的频率及幅值进行精识别有效滤除。

3.4.2 加工跟踪误差补偿

加工跟踪误差补偿是激光数控加工中另一项重要的技术，它保证了轨迹的精度。在实际加工过程中，加工轨迹往往由于机床的非线性、热变形、刀具磨损等多种因素的影响而很难完全达到预期。为了解决这一问题，通过实时监测分析加工过程中的误差，并对加工过程中产生的误差进行加工跟踪误差补偿技术，并基于这些误差信息修正控制指令，从而达到精确跟踪加工轨迹的目的。这一技术一般有三个步骤：辨识误差、建模误差、补偿误差。一是在加工过程中利用传感器及高精度测量设备进行误差资料获取；再以数学建模、仿真分析的方式，建立误差与加工参数的关系模型；最后，对控制指令进行实时校正，根据模型所预测的误差对加工过程中的误差进行补偿。

4 结语

综上所述，激光数控加工误差控制，滤波技术功不可没。通过巴特沃斯滤波、最小二乘滤波以及高斯滤波的应用来显著的提高加工的精度和效率从而有效的滤除了加工时的杂讯及干扰，从而提升了信噪比以及加工的稳定性。

参考文献：

[1]赵家黎，黄利康，李桥林.基于卡尔曼滤波的数控机床主轴热误差建模研究[J].现代制造工程，2018，（07）：23-26+64.