數控機床幾何誤差及其補償方法研究

　　摘 要： 本文對數控機床幾何誤差產生的原因作了比較詳細的分析，對系統誤差的補償方法進行了歸納，并在此基礎上闡述了各類誤差補償方法的應用場合，為進一步實現機床精度的軟升級打下基礎。
　　關鍵詞： 數控機床 幾何誤差 補償方法
　　提高機床精度有兩種方法。一種是通過提高零件設計、制造和裝配的水平來消除可能的誤差源，稱為誤差防止法（error prevention）。該方法一方面主要受到加工母機精度的制約，另一方面零件質量的提高導致加工成本膨脹，致使該方法的使用受到一定限制。另一種叫誤差補償法（error compensation），通常通過修改機床的加工指令，對機床進行誤差補償，達到理想的運動軌跡，實現機床精度的軟升級。研究表明，幾何誤差和由溫度引起的誤差約占機床總體誤差的70%，其中幾何誤差相對穩定，易于進行誤差補償。對數控機床幾何誤差的補償，可以提高整個機械工業的加工水平，對促進科學技術進步，提高我國國防能力，繼而極大增強我國的綜合國力都具有重大意義。
　　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：
　　1.1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。
　　1.2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。
　　1.3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。
　　1.4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。
　　1.5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。
　　1.6檢測系統的測試誤差
　　包括以下幾個方面：
　　1.6.1由于測量傳感器的制造誤差及其在機床上的安裝誤差引起的測量傳感器反饋系統本身的誤差；
　　1.6.2由于機床零件和機構誤差以及在使用中的變形導致測量傳感器出現的誤差。
　　1.7外界干擾誤差
　　由于環境和運行工況的變化所引起的隨機誤差。
　　1.8其他誤差
　　如編程和操作錯誤帶來的誤差。
　　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，用此誤差值實時地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他相關的設備，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地提高機床的精度，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。
　　2000年美國Michigan大學Jun Ni教授指導的博士生Chen Guiquan做了這樣的嘗試，運用球桿儀（TBB）對三軸數控機床不同溫度下的幾何誤差進行了測量，建立了快速的溫度預報和誤差補償模型，進行了誤差補償。Christopher運用激光球桿儀（LBB），在30分鐘內獲得了機床的誤差信息，建立了誤差模型，在9個月的時間間隔內，對誤差補償結果進行了5次評價，結果表明，通過軟件誤差補償的方法可以提高機床的精度，并可保持精度在較長時間內不變。
　　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。1998年上海交通大學的楊建國進行了車床熱誤差補償的研究。1996到2000年在國家自然科學基金和國家863計劃項目的支持下，華中科技大學開展了對數控機床幾何誤差補償以及基于切削力在線辨識的智能自適應控制的研究，取得了一些成果。
　　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，可以有效地提高機床的精度，為提升我國制造業水平作貢獻。
　　參考文獻：
　　[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]李書和.數控機床誤差補償的研究[D].天津：天津大學，1996.
　　[3]廖平蘭.機床加工過程宗合誤差實時補償技術[J].機械工程學報，1992，28（2）：65—68.
　　[4]李書和，張奕群，楊世民，張國雄.多軸機床空間誤差的一般模型[J].儀器儀表學報，1997，18（4）：364—372.
　　[5]楊建國，薛秉源.CNC車削中心熱誤差模態分析及魯棒建模[J].中國機械工程，1998，9（5）：31—3