我國數控機床幾何誤差的補償分析

李鵬瑞

（秦皇島市首鋼長白機械有限責任公司，河北 撫寧 066311）

1 幾何誤差產生的原因

普遍認為數控機床的幾何誤差由以下幾方面原因引起:

（1）機床的原始制造誤差。是指由組成機床各部件工作表面的幾何形狀、表面質量、相互之間的位置誤差所引起的機床運動誤差,是數控機床幾何誤差產生的主要原因。

（2）機床的控制系統誤差。包括機床軸系的伺服誤差(輪廓跟隨誤差),數控插補算法誤差。

（3）熱變形誤差。由于機床的內部熱源和環境熱擾動導致機床的結構熱變形而產生的誤差。

（4）切削負荷造成工藝系統變形所導致的誤差。包括機床、刀具、工件和夾具變形所導致的誤差。這種誤差又稱為“讓刀”,它造成加工零件的形狀畸變,尤其當加工薄壁工件或使用細長刀具時,這一誤差更為嚴重。

（5）機床的振動誤差。在切削加工時,數控機床由于工藝的柔性和工序的多變,其運行狀態有更大的可能性落入不穩定區域,從而激起強烈的顫振。導致加工工件的表面質量惡化和幾何形狀誤差。

上面的誤差可按照誤差的特點和性質,歸為兩大類:即系統誤差和隨機誤差。數控機床的系統誤差是機床本身固有的誤差,具有可重復性。數控機床的幾何誤差是其主要組成部分,也具有可重復性。利用該特性,可對其進行“離線測量”,可采用“離線檢測——開環補償”的技術來加以修正和補償,使其減小,達到機床精度強化的目的。隨機誤差具有隨機性,必須采用“在線檢測——閉環補償”的方法來消除隨機誤差對機床加工精度的影響,該方法對測量儀器、測量環境要求嚴格,難于推廣。

2 幾何誤差補償技術

針對誤差的不同類型,實施誤差補償可分為兩大類。隨機誤差補償要求“在線測量”,把誤差檢測裝置直接安裝在機床上,在機床工作的同時,實時地測出相應位置的誤差值,用此誤差值實時的對加工指令進行修正。隨機誤差補償對機床的誤差性質沒有要求,能夠同時對機床的隨機誤差和系統誤差進行補償。但需要一整套完整的高精度測量裝置和其它相關的設備,成本太高,經濟效益不好。系統誤差補償是用相應的儀器預先對機床進行檢測,即通過“離線測量”得到機床工作空間指令位置的誤差值,把它們作為機床坐標的函數。機床工作時,根據加工點的坐標,調出相應的誤差值以進行修正。要求機床的穩定性要好,保證機床誤差的確定性,以便于修正,經補償后的機床精度取決于機床的重復性和環境條件變化。數控機床在正常情況下,重復精度遠高于其空間綜合誤差,故系統誤差的補償可有效的提高機床的精度,甚至可以提高機床的精度等級。迄今為止,國內外對系統誤差的補償方法有很多,可分為以下幾種方法:

（1）單項誤差合成補償法。這種補償方法是以誤差合成公式為理論依據,首先通過直接測量法測得機床的各項單項原始誤差值,由誤差合成公式計算補償點的誤差分量,從而實現對機床的誤差補償。對三坐標測量機進行位置誤差測量的當屬Leete,運用三角幾何關系,推導出了機床各坐標軸誤差的表示方法,沒有考慮轉角的影響。較早進行誤差補償的應是Hocken教授,針對型號Moore 5-Z(1)的三坐標測量機,在16小時內,測量了工作空間內大量的點的誤差,在此過程中考慮了溫度的影響,并用最小二乘法對誤差模型參數進行了辨識。由于機床運動的位置信號直接從激光干涉儀獲得,考慮了角度和直線度誤差的影響,獲得比較滿意的結果。1985年G.Zhang成功的對三坐標測量機進行了誤差補償。測量了工作臺平面度誤差,除在工作臺邊緣數值稍大,其它不超過1μm,驗證了剛體假設的可靠性。使用激光干涉儀和水平儀測量得的21項誤差,通過線性坐標變換進行誤差合成,并實施了誤差補償。X-Y平面上測量試驗表明,補償前,在所有測量點中誤差值大于20μm的點占20%,在補償后,不超過20%的點的誤差大于2μm,證明精度提高了近10倍。除了坐標測量機的誤差補償以外,數控機床誤差補償的研究也取得了一定的成果。

（2）誤差直接補償法。這種方法要求精確地測出機床空間矢量誤差,補償精度要求越高,測量精度和測量的點數就要求越多,但要詳盡地知道測量空間任意點的誤差是不可能的,利用插值的方法求得補償點的誤差分量,進行誤差修正,該種方法要求建立和補償時一致的絕對測量坐標系。

在國內,許多研究機構與高校近幾年也進行了機床誤差補償方面的研究。1986北京機床研究所開展了機床熱誤差的補償研究和坐標測量機的補償研究。1997年天津大學的李書和等進行了機床誤差補償的建模和熱誤差補償的研究。1998年天津大學的劉又午等采用多體系統建立了機床的誤差模型,給出了幾何誤差的22線、14線、9線激光干涉儀測量方法,1999年他們還對數控機床的誤差補償進行了全面的研究,取得了可喜的成果。

3 結語

綜上所述，進行數控機床的誤差補償,誤差測量是關鍵,誤差模型是基礎。通過誤差的補償,可以有效的提高機床的精度,為提升我國制造業水平作貢獻。

[1]倪軍.數控機床誤差補償研究的回顧與展望[J].中國機械工程，1997,8(1):29-32.

[2]Ramesh R,Mannan M A,Poo A N.Error compensation in ma chine tools—a review part I:geometric,cutting-force induced and fixture-dependent errors[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2000,（40）:1235~1256.

[3]J.Ni.Study on online identification and forecasting compensatory control of volumetric errors for multiple axis machine tools[J].PhDdissertation,University of Wisconsin-Madison,1987.