數控機床空間誤差提高其加工精度的補償方法

孫梅

（常德職業技術學院，湖南 常德 415000）

隨著我國數控機床的逐步發展，人們對于其精度的問題也越來越關注。而早在二十世紀七十年代，美國就開始致力于提高機床的精度問題，在那之后，對于機床精度的研究工作則越來越受到重視，并取得了較好的開展，機床的性能也因此得到提高。美國的這些研究工作推動了機床研究工作在世界范圍內的展開。數控機床的加工精度會受到材料、環境、安裝制造和檢測控制等許多方面因素的影響，尤其是對于超精密產品的加工，每個因素都會影響到數控機床最終加工的誤差，所以需要對此進行綜合的分析，并采取合適的控制手段，以保證或者提高機床的加工精度。為此，誤差補償技術就應運而生了。

1 數控機床加工誤差補償的概念

隨著許多工件加工精度要求的提高，單純依據機床零部件質量、控制生產環境、控制機床使用條件和減低發熱量等措施來防止誤差的產生，這些措施在技術上和經濟上都變得越來越難以接受，而誤差補償正是可以擺脫這種困境的有效措施。

誤差補償是通過對機床各種誤差進行檢定或者分析其誤差的成因，然后根據檢定誤差的模型和檢定結果來對機床的坐標軸進行適當的修整，從而提高機床的加工精度。誤差補償技術的發展還改變了精密零件只有精密機床才能加工的傳統觀念，使數控機床的加工精度不再受限于機床本身的精度。誤差補償的思想是認為制造新的誤差去抵消或者減少當前存在的誤差，通過分析統計原誤差的規律特點，去制造出和原誤差大小相等和方向相反的新誤差，從而降低機床加工誤差，提高機床零件加工的精度。

2 數控機床加工的誤差分類

在數控機床加工中，零件的加工精工精度主要由切削刀刃和加工零件之間相對位置的準確度決定的。如果在加工過程中機床和夾具工藝系統的環節偏離了它們的正確位置，就會產生加工誤差，根據誤差產生的來源、條件以及性質的不同，我們可以將機床加工誤差分成許多類：（1）根據誤差來源可以將機床加工誤差分：為幾何誤差、熱誤差、力誤差、控制誤差、檢測誤差、隨機誤差；（2）根據誤差與機床加工系統的關系可以分為：內部誤差和外部誤差；（3）根據誤差產生的條件可以分為：靜態誤差、準靜態誤差、和動態誤差。

3 數控機床加工的誤差補償方法

目前，對于提高數控機床加工精度有兩種方法，一是誤差防止法，二是誤差補償法。誤差防治法是通過分析形成誤差的原因，從設計和制造途徑方面排除誤差源，但單純依靠誤差預防法來提高數控機床的加工精度是非常困難的，這是由于機床的結構比較復雜，電氣零部件和機械非常很多，任何一個零部件的誤差都會是機床最終加工誤差的成因，要采用誤差防止發來控制誤差的話，就需要對每個零部件的誤差都進行嚴格控制，而要做到對每個零部件的控制是很困難的，即是能做到也是很不經濟的，需要投入大量的人力財力。而同時，由于外界的加工環境和條件都是在不斷變化而且很難預測的，環境條件的變化也造成機床加工的誤差，這是無法預防預測的。所以單純采用誤差補償的方法來提高數控機床的加工精度并不能取得很好的效果。誤差補償法是通過對誤差的分析檢測，對加工零件在加工過程進行軟件或者硬件上的修正，從而減低加工誤差，提高技工精度，這種控制機床加工誤差的方法比較靈活通用。

誤差補償法分為預先標定誤差補償法和主動誤差補償法兩類：預先標定誤差補償法又包括硬件誤差補償和軟件誤差補償，其中以軟件誤差補償較為實用，包括建立誤差模型、測量原始誤差參數以及辨識補償誤差三個階段。誤差建模——檢測——補償，這是誤差補償一般采用的方法。數控機床在對零件進行加工的時候，是通過各個數控伺服軸的運動來合成刀刃的加工軌跡，所以如果可以測出機床加工中刀刃軌跡的誤差適矢量，并把這個誤差矢量分解成各個運動軸的粉適量，然后再驅動軸執行加工指令的時候采用相反方向的誤差分矢量來多執行分矢量數字的指令，這樣就能達到補償機床加工誤差的目的。

數控機床的誤差補償方法可以按其補償原理分為比誤差分離法、誤差鑒定法、平均法、閉環法、誤差預測法等。數控機床的誤差補償類型又可按其特征來分為實時與非實時誤差補償、靜態補償與動態補償、軟件補償與硬件補償這三種類型。

3.1 實時非實時誤差補償。在非實時的誤差補償中，對數控機床的誤差檢測以及其加工精度的補償是分離的。通常說來，非實時誤差補償只可以對數控機床的系統誤差部分進行補償。而實時誤差補償則可不但可以補償機床的系統誤差，還可以補償很大部分的隨機誤差。對于機床加工的靜態誤差，普遍都采用非實時的誤差補償技術，而實時誤差則總是引用于熱變形誤差。實時誤差補償和非實時誤差補償兩者的成本相比，實時誤差補償的成本比較高，所以在制造高精度零件的時候才采用實時誤差補償技術，而非實時誤差的成本則相對較低，適用于對加工精度要求沒那么高的零件加工。另外由于在數控機床的加工過正中，加工誤差值是動態變化的，補償也有時間上的滯后性，所以實時誤差補償并不能夠補償到全部的誤差。

3.2 靜態補償與動態補償。數控機床加工誤差的靜態補償法，是只在對加工零件進行加工時、預先設定好補償量或者補償參數，因而它只能按照預設的固定值來對加工誤差進行補償，而不可以根據實際情況來改變加工補償量或者補償參數。精通補償法只能對系統誤差進行補償，對于隨機誤差則無法實現補償的目的。而動態誤差補償則是指在加工時可以根據機床的加工條件和環境狀況以及空間位置的變化來對補償量或者補償參數進行跟蹤并且調整。動態補償是一種反饋補償，它可以補償機床加工的系統誤差，亦可以補償集合誤差、切削載荷誤差以及熱誤差等隨機誤差，具有比較好的誤差補償效果，是最理想的誤差補償方法，但是需要較高的成本和技術水平。

3.3 軟件補償與硬件補償。數控機床的加工誤差補償都是通過改變切削刀刃和加工零件的相對位置來實現的，對此，硬件補償法則是通過采用機械的方法來改變加工刀刃和加工零件的相對位置，這種機械的方法和通過利用微機的軟件補償法相比起來就顯得比較笨拙，要改變補償量就需重新調整，非常不方便，同時，硬件補償法對于局部的短周期誤差無法進行補償。而軟件補償通過微機來執行數控機床加工的指令代碼或者修改數控機床的加工代碼，來實現加工誤差的補償，從而使切削刀具和加工零件之間可以實現準確的相對定位。軟件補償發是數控機床特有的一種誤差補償方法，而對于一般的機床則無法采用，它克服了硬件補償的缺點、并逐漸取代了硬件補償法，這是發展的必然趨勢。

[1]鄧曉京.數控機床運動誤差檢測與仿真[M].西安：西北工業大學，2006.

[2]盧紹青.數控機床通用誤差補償技術研究[M].北京：北京工業大學，2007.