數控機床誤差補償技術的研究

程 志

(齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司,黑龍江 齊齊哈爾 161005)

數控機床誤差主要包括幾何誤差、熱誤差、切削力誤差等，這三項誤差占總加工誤差的80%左右。幾何誤差是由機床本身制造、裝配缺陷造成的誤差；熱誤差是由機床溫度變化而引起熱變形造成的誤差；切削力誤差是由機床切削力引起力變形造成的誤差。如何在生產中提高機床加工精度，減小誤差呢？

目前我們大多采用兩種方法誤差預防法和誤差補償法，誤差預防法是通過設計和制造途徑消除或減少可能的誤差源，靠提高機床制造精度來滿足加工精度要求。這種方法即使能夠實現，再制造過程中成本也會很高，對加工技術、技工水平要求也很高這是一種需要基于硬件發展的技術。而誤差補償法是使用軟件技術，是一種既有效又經濟的提高機床加工精度的手段。通過誤差補償可在機床上加工出超過機床本身精度的工件。近年來，誤差補償技術得以迅速發展和推廣，已成為現代精密工程的重要技術支柱之一。數控機床誤差動態綜合補償已列入國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”表明我國政府對數控機床誤差動態綜合補償技術的高度重視。文章主要從幾何誤差、熱誤差、切削力誤差3個方面研究數控機床誤差補償技術。

1 幾何誤差補償分析

在數控機床技工過程中幾何誤差相對穩定，易于進行誤差補償。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8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。

（6）檢測系統的測試誤差。包括以下2個方面: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；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。

（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。

（8）其它誤差。針對誤差的不同類型，實施誤差補償可分為兩大類:第一類是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到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；第二類是誤差直接補償法。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。進行數控機床的幾何誤差補償，誤差測量是關鍵，誤差模型是基礎。

2 熱誤差補償分析

到目前為止，熱的作用依然是影響機床尺寸誤差和重復性的最大獨立因素。經驗表明，由熱變形引起的誤差占全部誤差的40%～70%。

減少機床熱誤差通常有以下方法:①改進機床設計和材料。②采用熱執行裝置控制機床重要部件的溫度。③研究溫度分布和熱變形之間的關系，并建立數學模型，用軟件預報誤差，通過NC裝置補償，以減少或消除由熱變形引起的機床刀具位移。

目前，有兩種不同的技術來實現誤差補償:反饋中斷補償法和原點平移補償法。反饋中斷補償法是通過將熱誤差模型的計算數值直接插入到伺服系統的位置反饋環中而實現的。熱誤差補償控制器獲取進給驅動伺服電機的編碼器反饋信號，同時，該補償控制器還計算機床的熱誤差，且將等同于熱誤差的數字信號與編碼器信號相加減，伺服系統據此實時調節機床的進給位置。原點平移補償法原理是熱誤差補償控制器計算機床的熱誤差，這些誤差量作為補償信號被送至CNC控制器，而后通過CNC控制系統中PLC的I/O口平移參考原點，以此實現熱誤差量的補償。

3 切削力誤差補償分析

切削力誤差是指數控機床加工時產生的切削力導致刀具、機床、工件的變形，從而使實際切削位置與理論切削位置發生偏移而產生的誤差，切削力直接作用于刀具和工件，不僅使二者變形，也使機床主軸、工作臺乃至整個機床產生變形，切削力誤差就是綜合這些變形產生的。

隨著強力、高效切削方式的推進以及難加工材料的加工,由切削力引起的工件加工誤差不容忽視。切削力誤差直接測量法,實現了工作過程中切削力和誤差數值的直接對應。數控機床上切削力變化會引起主軸伺服電機電流的變化，對機床主軸電機電流的測量比較容易和簡單，所以，通過主軸電機電流變化來估計切削力大小是一種經濟而又簡便的方法。利用模糊神經理論建立魯棒性強的切削力誤差綜合模型，最后給出在數控機床上實現切削力誤差實施補償的方案，并通過實驗證明該補償方案可大幅度提高數控機床的加工精度。

4 結語

誤差補償研究已經歷了幾十年的歷史，已達到了一定的成熟階段，但并還會產生問題，特別是在我國數控機床的大規模實際應用中，還有待于我們有關人員的進一步研究，讓我們共同努力，以既有效又經濟的高技術手段，進一步提高數控機床加工精度，并向國內機床制造企業和機床使用單位推廣和應用數控機床誤差補償技術，提高我國的機床及制造裝備技術水平，增大國產機床在市場中的份額，并將我們的數控機床誤差補償技術發展到國際先進乃至領先水平。