數控機床的位置誤差及補償方法探析

蔣薇，陳本鋒

（成都市技師學院，四川成都611731）

數控機床的位置誤差及補償方法探析

蔣薇，陳本鋒

（成都市技師學院，四川成都611731）

為了提高數控機床的加工精度，行業和企業技術人員嘗試用誤差補償技術代替單純的提高機床的零部件精度和裝配質量。通過軟件誤差補償技術提高數控車床滾珠絲杠的反向間隙精度，改善了機床的加工條件，提高了零件的加工精度，起到了預期的效果，適合在中小型企業推廣應用。

數控機床；位置誤差；補償；探析

提高數控機床加工精度的方法有很多，包括合理選擇刀具材料和幾何參數，合理控制切削環境和系統誤差等等。近年來，僅依靠通過提高機床零部件的質量精度、降低應力變形的影響來減小機床加工誤差和提高機床使用壽命，在技術層面上變得越來越困難，在經濟層面上變得越來越難以承受［1］，誤差補償技術逐漸進入人們的視野。

在機床誤差補償分類中，研究者一般傾向于將誤差的補償分為硬件補償和軟件補償兩個方面。實際操作中，數控機床加工受到諸多因素的影響，靠單一的精度控制方法不能或很難保證數控機床的加工精度［2］。本文針對數控加工中機床的誤差補償進行研究，以期對經濟型數控機床的操作者在實習生產中提供有價值的參考。

1　數控機床誤差補償研究的現狀

目前，誤差補償技術需要解決的主要問題是對誤差源的辨識和對誤差的有效補償。雖然誤差補償的概念已經逐漸被大家熟悉，但是應用到實際生產的卻很少。誤差補償的研究現狀如下：

（1）誤差源研究越來越精細化

目前，誤差補償技術需要解決的主要問題是對誤差源的辨識和對誤差的有效補償。影響數控機床加工精度的因素有很多，已經被大家熟知并分類的包括安裝誤差、熱誤差等，逐漸被提出的有空間誤差、高頻誤差等［3］。隨著研究的深入，研究者們對誤差源的分類也越來越精細化，對某一具體的單項誤差進行檢測和補償，成為提高數控機床誤差補償效果的一種趨勢。

（2）誤差補償越來越動態化

在加工過程中，機床與刀具、工件處于相對運動中，這樣所研究的誤差就不止是靜態誤差，而是動態誤差和誤差實時補償技術。提升機械自動化水平，除了靜態補償，今后的發展方向是開展動態補償對誤差的控制研究。

（3）誤差補償理論尚未應用于生產實踐

近年來，國內關于數控機床誤差理論分析和補償系統設計的研究會越來越多。最近幾年，國家更是把支持數控機床誤差動態補償技術研究上升到科技戰略的層面。但判斷并準確的計算誤差需要經驗，需要借助精密的測量儀器，更需要采用正確的補償方法和開發適合的補償系統，這些都需要科研工作者們不斷的研究、開發、完善。所以到今天誤差補償理論尚未大規模應用于生產實踐。

2　數控機床位置誤差的補償

誤差補償的基本思想就是通過將誤差值輸入系統進行補償或改進機械設備減少加工后零件的尺寸和形位誤差。數控機床誤差補償有硬件誤差補償與軟件誤差補償兩種基本方法，軟件補償與硬件補償的區分是看補償信息是由系統軟件還是由機床硬件產生的。

2.1硬件誤差補償

硬件誤差補償是通過提高零部件的制造精度和調整機械結構上的靠模、凸輪、預緊螺母、緊固螺栓、軸承間隙等進行補償。這種方法會增加機床的制造成本，在機床裝配完成后難以適時調整補償值，隨著機床使用時間的增加和硬件設備的磨損，補償效果會逐步下降，使用條件受到一定的限制。

2.2軟件誤差補償

軟件誤差補償是在已知或已測得反向間隙數值的情況下，通過調整數控系統里參數表中的補償值，來抵消加工過程中機床系統產生的誤差值。軟件誤差補償通用性好，操作也不復雜，既可進行單段誤差補償，也可實現平均誤差補償。比如，在閉環數控系統中，進給運動的移動量是由檢測裝置以脈沖計數方式反饋到數控裝置的比較器中，與原來的發出指令脈沖數進行比較，并進行相應的行止。軟件補償有較高的功態性能、補償值可隨工作狀態的而即時變化，可通過計算機對所建立的數學模型進行運算后產生，并且經濟性較好。由此可見，軟件誤差補償已經成為現代補償技術發展的方向。

2.4軟件誤差補償實例

激光干涉儀具有自動線性誤差補償功能，可以對位置精度進行檢測及自動補償、對數控機床進行動態性能檢測。本例用ML10激光干涉儀系統可自動測量和補償數控機床各運動軸的反向間隙。

2.4.1目標設定參數設置

設置步長為5 mm，起點坐標為0，終點坐標為100，往復行程共自動測量21次。如圖1所示。

圖1　目標設定參數界面

2.4.2設置誤差補償參數值。

設定步距為10 mm（即每運行10 mm測量1次），每次停頓4 s記錄數據，一共測量10次，共運行100 mm.

2.4.3編寫測量程序

根據機床加工精度要求，在滾珠絲杠有效行程范圍順序定位若干采樣點。

2.4.4采集測量數據

采用增量值補償類型，記錄各采樣處的誤差補償值，形成在不同指令位置處的帶后沖值綜合誤差表，如表1所示。

表1　帶后沖值綜合圖表參數值

2.4.5分析測量結果

將打開控制面板的參數設置，翻頁進入“軸間補量”的Z軸補償界面，將用激光干涉儀測得的反向間隙平均值（已知激光干涉儀測量間隙值為41μm）輸入到Z軸的反向間隙補償位置。用補償后的機床加工零件，加工精度顯著提高。

3　誤差補償的應用比較

除了上述的激光干涉儀補償反向間隙，還可以使用機械調整、程序補償等方法補償機床的反向間隙誤差。在同等試驗條件下，分別用這三種方法進行補償，得到的結果略有不同。

根據幾組實驗數據的比較及對經濟型數控車床的分析研究，歸納出了經濟型數控車床加工不同精度的零件時選擇的反向間隙測量方法及間隙補償方法，如表2所示。

表2　不同類型的數控車床反向間隙誤差的控制方法選擇參照表

綜上所述，反向間隙誤差補償是數控機床控制零件加工精度的一個重要途徑，特別是對加工封閉曲線有實際意義，實際加工中需要對數控車床各坐標軸的反向間隙進行檢測和補償。研究表明，在加工封閉曲線時，采用誤差補償技術與不用任何補償技術相比可將加工的曲線誤差減少75%～90%.

機械調整法補償反向間隙不影響加工程序的編寫，在一定范圍內具有一定的補償效果，但局限性較大，操作要求高，不能定量補償。數控程序補償法效果較好，特別是對沒有補償功能的數控系統具有較大的實際作用，但這種方法增加了數控編程的復雜性，對操作人員的編程能力和加工工藝制定有較高要求［4］。系統補償法先測量反向間隙，再通過科學的計算得出需要補償的間隙值，最后輸入數控坐標補償系統，是目前半封閉式數控車床滾珠絲杠的反向間隙控制相對優化的補償方案。

4　誤差補償的意義

誤差的控制和補償是降低數控機床加工誤差的有效途徑。控制是通過機械部分的調整、工藝過程的優化、加工環境的改善等達到降低加工誤差的目的。補償是在測得機床誤差的情況下，通過調整系統參數、反向間隙數值等達到平衡和抵消系統誤差的目的。其中尤以誤差補償更為行業和企業所接收，誤差補償靈活性大，簡單易行，經濟效益顯著，適合在企業推廣應用。

［1］魏杰.數控技術及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2014.

［2］馮劍.機械加工精度誤差成因分析及其對策研究［J］.電子制作，2013，（14）：38.

［3］呂崇明.機械制造工藝學［M］.北京:中國勞動和社會保障出版社，2011.3.

［4］張變霞.數控機床精度及誤差補償技術［D］.杭州：中北大學機械工程與自動化學院，2008.

Analysis of Position Error and Compensation Method of NC Machine Tool

JIANGWei，CHEN Ben-feng
（Chengdu Technician College，Chengdu 611731，China）

In order to improve themachining precision of CNCmachine tools，the industry and enterprise technical engineers to try to use error compensation technology instead of improving the accuracy of machine parts and assembly quality.By using the software error compensation to improve the precision of the reverse clearance of the ball screw in NC lathe，the processing conditions are improved，the processing precision is improved，and the expected effect is played，which is suitable for the application in themedium and small enterprises.

CNCmachine tools；position error；compensation；analysis

TG659

B

1672-545X（2016）05-0224-03

2016-02-07

蔣薇（1966-），女，四川成都人，本科，講師，研究方向：機械制造技術檢測方向。