數控機床的誤差補償的實現

胡建中

[摘要]隨著數控機床的發展，它的精度問題也隨之受到關注。近年來，隨著我國數控機床關鍵技術的突破，開始關注數控機床的性能，數控機床精度的研究受到重視。誤差補償法是人為地造出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差，是一種既有效又經濟的提高機床加工精度手段，其工程意義是非常顯著的。對數控機床的誤差補償的實現進行研究。

[關鍵詞]數控機床誤差補償實現

中圖分類號：TH12文獻標識碼：A文章編號：1871-7597(2009)0610120-01

提高機床精度有兩種基本方法，誤差防止和誤差補償，誤差防止是通過設計和制造途徑清除可能的誤差源，單純采用誤差預防的方法來提高機床的加工精度是十分困難的。其原因一是機床的結構復雜，機械和電氣零部件很多，其中任何零部件的誤差均可能累計成為機床的總體誤差或加工誤差。為控制誤差源，對每一個部件的誤差加以極其嚴格的限制，這往往是無法辦到的，即使可以辦到，也是非常不經濟的；第二個原因是加工條件和外界環境在發生不斷的、有時是無法預測的變化，導致機床本身的誤差和加工誤差也會不斷地發生變化，要事先預估或預防這些誤差是辦不到的。因此，單純采用誤差預防的策略，往往難于奏效，而必須輔以誤差補償的策略。

誤差補償是根據對誤差的檢測分析，在加工過程中從硬件上或軟件上對這種誤差進行修正，達到降低誤差，提高加工精度的日的，比較靈活通用。誤差補償又分為兩類，預先標定誤差補償和主動誤差補償。預先標定誤差補償包括軟件誤差補償和硬件誤差補償，其中軟件補償比較方便實用，基本包括三個階段，建立誤差模型，原始誤差參數測量，辨識誤差并進行補償。誤差補償一般是采用“誤差建模～檢測～補償”的方法來抵消誤差。由于數控機床加工零件時是由各數控伺服軸的運動合成刀刃的加工軌跡，因此只要能測量出機床加工時刀刃在加工空間中的軌跡誤差矢量，把該矢量分解為各運動軸的分矢量，使各驅動軸在執行各加工指令時，多執行相反方向誤差分矢量的當量數字的脈沖運動指令，就能達到加工誤差補償的目的。數控機床誤差補償的方法按原理可分為：平均法：閉環法；誤差分離法；誤差檢定法：差動法；誤差預測法。誤差補償的類型按其特征可分為：實時與非實時誤差補償，硬件補償與軟件補償，靜態補償與動態補償。

一、實時與非實時誤差補償

在非實時誤差補償中，誤差的檢測與補償是分離的。一般來說，非實時誤差補償只能補償系統誤差部分，實時誤差補償不僅補償系統誤差而且還能補償相當大的一部分隨機誤差。靜態誤差都廣泛采用非實時誤差補償技術，而熱變形誤差總是采用實時誤差補償。非實時誤差補償成本低，實時誤差補償成本高。只有制造超高精度裝備時，才采用實時誤差補償技術。此外，在動態加工過程中，誤差值迅速變化，而補償總有時間滯后，實時補償不可能補償全部誤差。

二、硬件補償與軟件補償

在機床加工中誤差補償的實現都是靠改變切削刀刃與工件的相對位置來達到，硬件補償法是采用機械的方法，來改變機床的加工刀具與工件的相對位置達到加工誤差補償的目的。與利用微機的軟件補償相比，此方法顯得十分笨拙，要改變補償量，需改制凸輪，校正尺等補償裝置，或至少得重新調整，很不方便。再者，這種方法對局部誤差(短周期誤差)一般無法補償。軟件補償是數控機床特有的補償方法，一般的機床上無法實現。數控機床是靠微機執行數控加工的指令代碼，使切削刀具與被切削工件之間實現準確的定位和相對運動。因此，數控機床存在軟件補償的潛能。軟件補償是通過修改數控加工代碼或執行補償指令來實現加工誤差的補償。由于軟件補償克服了硬件補償的困難和缺點，逐漸取代了誤差的硬件補償方法，使誤差的硬件補償方法已成為歷史。

三、靜態補償法與動態補償法

誤差的靜態補償是指數控機床在加工時，補償量或補償參數不變。它只能按預置的設定值進行補償，而不能按實際情況改變補償量或補償參數。采用靜態補償方法只能補償系統誤差而不能補償隨機誤差。動態誤差補償是指在切削加工條件下，能根據機床工況、環境條件和空間位置的變化來跟蹤、調整補償量或補償參數，是一種反饋補償方法。它不但能補償機床系統誤差，也可以補償部分隨機誤差，能對幾何誤差、熱誤差和切削載荷誤差進行綜合補償。動態補償法可以獲得較佳的補償效果，是數控機床最有前途的誤差補償方法，但需要較高的技術水平和較高的附加成本。誤差補償技術，解決了高精度與低成本之間的矛盾，應用誤差補償技術提高機床的加工精度，已是必然的發展趨勢。在誤差補償的實施中，應注意以下幾點：

1誤差補償的運動學模型應滿足完整性、分解性與實用性。完整性指覆蓋機床整個工作空間。分解性指根據檢測的數據確定各項原始誤差。現有的大多數誤差檢測方法均不能同時滿足所有這些要求，所檢測得到的只是工作空間中某些區域上的加工誤差。

2所有的誤差成份需要通過實際測量獲得，誤差補償的效果完全取決于誤差辯識的準確性，因此，應加強誤差測量方法的研究，提高測量的精度和測量效率。測試技術應進一步向多用途和在線測量方向發展，研究出能進行機床加工中的刀具動態性能實時監測的裝置。發展能分解出誤差根源的檢測方法，具有重要實用價值。

3目前的研究成果大多所涉及的誤差源為機床零部件的制造誤差，熱變形、載荷誤差，而且只在幾何誤差補償方面得到實用化，因此應加強對機床熱變形、載荷誤差的補償技術研究，特別是機床在高速切削情況下，機床動態特性與加工誤差的關系研究。

4靜態補償法在單項誤差源的補償中已有實用化的成功例子，而綜合的補償法還處在研究階段。目前誤差補償技術只涉及位置矢量，由于機床的加工誤差不僅與位置有關，還與加工時的速度和加速度有關，因此應研究機床誤差與速度和加速度的的關系，建立動態切削加工情況下的精確數據模型或者有效的經驗模型，使機床的誤差補償應用范圍更廣，效果更佳。

5誤差補償的效果與機床本身的原始精度有關，當機床的定位精度好時補償的效果才明顯。誤差補償技術只是提高數控機床加工精度的輔助手段，想要從根本上改變我國數控機床的面貌，必須從機床設計制造的全方位著手。