淺析數控機床誤差補償關鍵技術

杜春艷

（江蘇省銅山中等專業學校，徐州 221000）

機械加工生產中，受多種因素的影響，數控機床工作中會經常出現各種誤差。為了降低這些誤差，應綜合分析誤差，了解誤差特點，掌握誤差出現的規律，然后運用相關技術進行誤差補償，盡可能降低原始誤差發生的概率以減小誤差。誤差補償技術可以提高機床加工的準確性和精密度，確保產品質量，增強我國制造加工業占據國際市場的能力，因此對數控機床的誤差進行分析尤為重要。

1 誤差補償及誤差分析的意義

現實生活中，誤差普遍存在。測量任何一種物理量，所得數值與真實值之間都會存在一定差異即誤差。誤差不可消除，但可有效減小。數據機床運用中，通常采用誤差防止和補償的方法提高加工精度[1]。前者是在機床設計、制造過程中減少或者消除產生誤差的隱患，后者是通過改變操控機床的指令實現誤差補償，從而獲取理性運動軌跡，提高機床加工精度。在分析、掌握誤差特點及發生規律的基礎上進行誤差數學建模，制造人為誤差以減弱或者抵消原始誤差，最終使兩種誤差方向相反、數值相等，提高加工產品的精度。同誤差防止相比，誤差補償的經濟價值更高，降低加工誤差的效果更好。

分析數控機床誤差，應當了解誤差來源，分析產生誤差的原因。誤差分析是誤差補償實施的前提，通過分析掌握各種誤差性質以及相互之間的聯系，制定有效的補償措施，確保誤差補償的合理性和有效性。所以，誤差補償實施前分析誤差非常重要。

2 影響數控機床加工精度的空間誤差源

2.1 力誤差

機械加工生產中，受機床剛度影響，機床在力的作用下發生彈性變形。機床工作過程中，所受力主要有夾具、工件以及機床的自身重力，刀具切削所產生的切削力，工件裝夾時工件與夾具之間產生的裝夾力等。

2.2 位置誤差

位置誤差又稱幾何誤差，產生的原因在于機床設計存在缺陷，零部件設計、加工存在誤差，零部件運動與相對位置發生改變，零部件裝配不合理等。

2.3 熱誤差

機床運行中，機床溫度變化不均勻，導致機床零部件外形尺寸及部件之間相對位置等發生變化，主要表現在工作臺變形、立柱、絲杠、機床床身受熱出現膨脹以及主軸變長等方面[2]。圖1為熱誤差產生原理。

諸多誤差中，位置誤差和力誤差所占比例較大。隨著機床誤差研究的不斷發展，定位精度不斷提高，位置誤差得到改善。熱誤差對數控機床的加工精度影響較大，是機床誤差的主要來源。

3 誤差補償關鍵技術

數控機床的誤差補償主要包括誤差建模、誤差測量以及誤差實施等內容。補償過程中運用的技術是決定誤差補償效果的重要因素。圖2為誤差補償的關鍵技術。

圖1 熱誤差產生原理

圖2 誤差補償關鍵技術

3.1 建模技術

誤差建模是實施誤差補償技術的前提條件。誤差模型的內容主要包括綜合模型和元素模型兩類。綜合模型包括車床運行過程中的刀具位移和換刀操作產生的綜合誤差，通過建立車床各個作業部件的運動模型分析車床作業過程中的綜合誤差。元素模型主要指針對單個刀具、夾具檢測出的位置誤差，如車床的主軸定位誤差等。通過分析車床整個作業過程的綜合誤差模型和針對關鍵作業部件的元素誤差模型，能夠更加準確全面地了解整個車床作業過程中的誤差情況。

3.2 測量技術

它以機床每個獨立的誤差成分為基礎，確定最終的方向誤差和位置誤差，因此需要精準分析、正確測量和有效識別誤差的成分。測量誤差主要包括間接識別和直接測量兩種方式[3]。間接識別利用儀器設備測量誤差，如平面光柵、球棒儀等，建立運動學誤差模型，利用數學方法分離所測誤差，最后獲得誤差成分。例如，綜合誤差通常用間接方法進行測量。直接測量是利用機械、光學或者干涉設備，針對不同溫度、不同位置進行誤差測量。例如，單項誤差通常用直接方法進行測量。一般情況下，利用間接方法測量誤差分量，速度快，效率高。直接測量雖然測量原理簡單，測量精準度高，但是耗時較長。尋求測量效率和測量精度的平衡點，是研究測量技術的關鍵所在。在確保測量精度的前提下，要求最大限度地提高測量效率。

3.3 實施技術

誤差補償要以誤差建模分析和誤差測量的結果為準。補償實施的方式分為實時補償和離線補償兩大類。實時補償主要指硬件設備在運行過程中根據測量技術的反饋數據，向補償裝置發送補償實施指令，然后由補償裝置根據指令將出現誤差的部分調整到合適的位置或合適的溫度。這一過程主要依靠補償裝置裝載的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），對測量裝置發布的數值進行實時建模運算，然后根據實時運算結果補償車床。這種補償實施方式的靈活性較高，且能夠對正在運行的車床的多個部件的誤差同時進行補償，能夠保證誤差補償效率，也能保證一定的誤差補償精確度。離線補償則指將所測誤差值與誤差文件進行對比，由數控系統依據對比結果修改現有的車床加工程序，從加工工序、刀具運行參數的調整等方面優化當前的車床數控程序[4]。

4 空間誤差補償綜合建模

4.1 系統結構分析

采取某種形式將多個柔體或者剛體聯接組成的機械系統即為多體系統。它能夠有效、抽象地描述完整的生產加工體系，利于復雜的機械加工系統研究。多體系統應用范圍廣，系統性強，可用于空間位置誤差的建模，確保模型數據的準確度和實際效益。該系統的理論特點是通過低序陣列描述系統拓撲結構，從而獲得任意兩個物體之間的位置關系。數控機床是一個特殊、典型的多體系統。圖3為系統結構圖。

圖3 多體系統結構圖

4.2 準確建立坐標系

系統加工建模過程中，需要相關工作人員全面研究分析系統位置、坐標以及理想參數，建立機床零部件的坐標系，確保高中低體坐標關系的順利轉化，全面分析、掌握系統內物體之間的相對位置和運動問題。建立零部件的坐標系時，相關工作人員的首要任務是建立準確的坐標系，以便進行綜合誤差模型的建立與操作，也可在一定程度上減少模型建立過程中的誤差。

4.3 分析坐標誤差

通常而言，數控機床加工部件定位和方向的確定需要從6個自由度入手，其中自由度轉角和平移各3個，因此機床加工中會有6個誤差源。對于3坐標的機床運動軸只有3個。當機床運動沿著X軸進行時，圍繞3個軸方向出現角度位移誤差及沿3個軸方向會出現線性位移誤差。圖4為X軸位置誤差。

圖4 X軸位置誤差

由此可以得出沿其他兩軸運動過程中產生的誤差。此外，3條坐標軸之間還存在3項垂直誤差，3坐標機床空間誤差共有21項。圖5為垂直誤差圖。

圖5 垂直誤差

4.4 正確識別空間誤差參數

對誤差進行辨別，是研究誤差補償工作的前提。正確進行誤差識別是確保系統補償精度的重要措施。目前，以多體系統為基礎的誤差識別技術得到了相關人員的關注，其中運用9線法可獲得全部參數值。例如，基于X軸，在平面YOZ內選擇3個點位，3點之間互不相關，然后通過激光干涉設備測量3點沿著X軸進行運動過程中產生的誤差值。

4.4.1 誤差參數傳統測量法

通過激光干涉設備識別空間誤差參數，主要分為傳統測量法和基于傳統的測量法等[5]。傳統測量能夠解決比較復雜的機床運動問題，有效控制數據誤差，提高測量效率，減少操作工作量，降低測量難度。誤差測量中，通過激光干涉設備傳統測量法可有效識別機床定位誤差，測量滾角誤差，取得有效的誤差補償。

4.4.2 基于傳統測量誤差參數測量法

基于傳統測量方法的激光干涉設備參數識別，在傳統測量的基礎上分析機床的空間誤差，對誤差的數學結構進行建模，測定線上誤差元素，同時分析測得的數據信息和數據模型獲得位置誤差。該方法有效降低了線路測量的工作量和測量誤差經費，提高了綜合誤差測量的有效性、測量誤差元素的效率以及測量誤差補償的經濟效益。但是，實際測量中，基于傳統測量方法的激光干涉設備比較復雜，通常需要運用特殊的測量元件，對測量設備提出了較高要求。

4.4.3 多自由度空間誤差參數測量方法

多自由度位置誤差參數測量主要利用9線識別法分析處理機床空間誤差中存在的問題，對加工件進行多個自由度測量。該方法在測量中可利用既有激光干涉設備一次測量多自由度，分析線性軸誤差。多自由度干涉測量空間誤差的參數，同時測定3個坐標軸的方向，運用工作臺，在短短幾個小時內便可完成全部的誤差測量工作，大大提高了測量效率。

5 數控機床誤差補償技術發展存在的不足

就目前機械加工行業的現狀來看，誤差補償技術雖然已經實現了低成本、高精度的運用目標，但是實際應用中，國內大部分機床制造企業并沒有完全掌握該項技術，機床誤差補償關鍵技術發展還存在諸多不足。例如：誤差補償空間建模缺乏通用性和程序化程度低，不能在同類型不同數控機床上使用數學模型；辨別誤差參數的技術不夠成熟，不能快速識別誤差；生產企業投放到誤差補償技術研發方面的經費不足，不能在數控系統內有效嵌入補償技術，在工業領域內應用規模較小；加工誤差受加工對象的影響，如被加工件的材料、質量等問題造成加工原件的屬性缺乏均衡性等[6]。

可見，想要促進誤差補償技術實現科學性和廣泛性發展，應當增加研究誤差補償的力度，由簡到繁逐步建立合理的誤差模型，健全應用補償技術的體系，如多體系統機床位置誤差綜合模型補償、三軸機床21項空間誤差參數以及九線識別誤差參數等。這些技術的應用可不斷提高識別誤差的精準度和效率，從而有效提高數控機床的加工精度。

6 結語

機械加工生產中運用誤差補償技術是機床精度和生產效益提高的重要工具，在我國經濟發展及社會建設中發揮著重要作用。針對誤差補償進行研究，需要相關工作人員全面了解和掌握誤差補償技術，深入研究補償技術的拓展空間，強化誤差補償的實際效果，促進我國機械制造行業穩固、健康發展。