數控機床幾何誤差及其補償研究

張書友 李 奎

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120）

隨著數控機床的普及應用，現代機械制造技術正朝著高效率、高質量、高精度、高集成和高智能方向發展，數控機床精度的提高日益為人們所重視。數控機床的幾何誤差包括組成機床各部件表面加工精度、形位公差、熱變形等產生的機床誤差。幾何誤差受加工環境影響不大，加工過程中穩定好，可以通過誤差補償來提高加工的精度，是數控機床誤差補償的主要研究和發展方向。

1 幾何誤差產生的原因

（1）機床的原始制造誤差：由機床各零部件加工精度、形狀和位置公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和研究發展的方向。

（2）機床加工中變形引起的誤差：它主要造成的是零件形狀變形，主要體現在當加工薄壁工件時零件裝夾變形和使用細長刀具加工時產生“讓刀”的現象。

（3）機床的振動誤差：在加工過程中，由于切削參數選擇不合理會產生強烈的振動和磨損，導致加工零件的表面質量較差和幾何形狀的變形。

（4）機床熱變形誤差：在切削加工時機床內部和外部會產生熱量導致機床的結構熱變形而產生的誤差。

（5）機床控制系統誤差：由數控裝置引起的誤差，主要體現在機床的輪廓跟隨誤差和刀具軌跡插補計算法誤差等。

（6）檢測裝置測試誤差：數控機床檢測元件在生產過程中的制造誤差，在安裝過程中的安裝誤差，在使用過程中的變形誤差等導致測量傳感器反饋信息出現的誤差。

2 誤差補償原理

誤差補償的實現是對理想的數控指令進行修正，通過修正后的數控指令驅動數控機床，達到補償誤差的目的。提高機床精度主要有防止和補償兩種方法。誤差防止法雖然可以通過提高零件設計、制造和裝配的水平來消除可能的誤差源，但受到生產成本大幅度提高的影響，該方法在實際使用中受到限制。誤差補償法是通過測量傳感器的反饋對機床進行誤差補償，可以使刀具中心精確運動到加工點，獲得理想的運動軌跡，實現機床精度的升級。

數控機床的誤差補償原理就是設置一個誤差來彌補原來的誤差。誤差補償技術是在不增加生產成本，不改變機床結構的基礎上，通過位置檢測裝置對機床加工過程進行分析，計算出刀具中心點和實際坐標點位置誤差，通過測量傳感器將該誤差反饋給機床的數控裝置發出指令，并通過伺服系統改變坐標驅動量來實現誤差修正，從而提高數控機床的加工精度。采用誤差補償技術能獲得理想的加工精度，具有成本低易于實現的優點，誤差補償技術是提高機床精度最重要的方法。

3 幾何誤差補償方法

（1）靜態補償法：靜態誤差補償法在數控機床發展初期占主導地位。機械式靜態補償法是對數控機床進行調試，得出誤差值，通過修正傳動機構的位移量，調整讀數裝置的示值以及應用導軌反向彈性變形等措施來補償位移誤差，從而減小數控機床的誤差。這種誤差補償法效果不明顯，具有很大局限性，不能滿足實際生產加工的需要。這個最初的數控機床誤差補償技術，一直未得到廣泛應用和推廣，逐漸被其他補償技術替代。

（2）實時補償法：實時誤差補償法是通過測量機床移動部件的實際位置，并與規定值進行比較，得出機床誤差值，然后按得出的誤差進行反饋補償，從而提高數控機床加工精度。實時補償法在數控機床中得到廣泛應用，可用于各種閉環位置控制的數控機床和具有帶反饋補償功能的機床 （如反饋補償型的開環或半閉環數控機床，帶有工件尺寸在線檢測和反饋控制的螺紋磨床及外圓磨床等）。針對數控機床類型的不同，有多種不同的機床誤差類型，可以補償形狀誤差，定位誤差，熱變形誤差等多種類型的誤差。誤差測量是基礎，誤差補償是關鍵，誤差補償實施技術研究的根本是提高補償的準確性和實用性。

（3）軟件補償法：軟件誤差補償法是在數控機床中建立一個閉環的模型軟件系統，將加工中的實時參數傳輸給模型軟件系統，軟件系統通過分析得出誤差值，再將誤差值通過檢測裝置反饋給機床的數控裝置后得出補償值傳給數控機床進行調整后加工，這屬于動態補償方法。在生產過程中，零件加工和誤差補償可以同步進行。與靜態補償法和實時補償法相比，軟件誤差補償法使數控機床高精度加工的特點在加工過程中始終得以實現。軟件誤差補償法克服了數控機床制造時所帶來的硬件缺陷，是誤差補償的一種理想的補償方式。數控機床軟件誤差補償包括反向間隙誤差補償和螺距誤差補償。

綜上所述，在數控機床加工中，誤差的測量是基礎，誤差的補償是關鍵。通過誤差補償技術對數控機床進行誤差補償，可以有效提高數控機床的精度，從而提高加工精度，為提升我國制造業的水平作出貢獻。

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