数控机床误差补偿技术的研究

程 志

(齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司,黑龙江 齐齐哈尔 161005)

数控机床误差主要包括几何误差、热误差、切削力误差等，这三项误差占总加工误差的80%左右。几何误差是由机床本身制造、装配缺陷造成的误差；热误差是由机床温度变化而引起热变形造成的误差；切削力误差是由机床切削力引起力变形造成的误差。如何在生产中提高机床加工精度，减小误差呢？

目前我们大多采用两种方法误差预防法和误差补偿法，误差预防法是通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源，靠提高机床制造精度来满足加工精度要求。这种方法即使能够实现，再制造过程中成本也会很高，对加工技术、技工水平要求也很高这是一种需要基于硬件发展的技术。而误差补偿法是使用软件技术，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。通过误差补偿可在机床上加工出超过机床本身精度的工件。近年来，误差补偿技术得以迅速发展和推广，已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。数控机床误差动态综合补偿已列入国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”表明我国政府对数控机床误差动态综合补偿技术的高度重视。文章主要从几何误差、热误差、切削力误差3个方面研究数控机床误差补偿技术。

1 几何误差补偿分析

在数控机床技工过程中几何误差相对稳定，易于进行误差补偿。几何误差产生的原因，普遍认为数控机床的几何误差由以下8方面原因引起:

（1）机床的原始制造误差。是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差，是数控机床几何误差产生的主要原因。

（2）机床的控制系统误差。包括机床轴系的伺服误差（轮廓跟随误差），数控插补算法误差。

（3）热变形误差。由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。

（4）切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差。包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又称为“让刀”，它造成加工零件的形状畸变，尤其当加工薄壁工件或使用细长刀具时，这一误差更为严重。

（5）机床的振动误差。在切削加工时，数控机床由于工艺的柔性和工序的多变，其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域，从而激起强烈的颤振。导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。

（6）检测系统的测试误差。包括以下2个方面:①由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差；②由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。

（7）外界干扰误差。由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。

（8）其它误差。针对误差的不同类型，实施误差补偿可分为两大类:第一类是单项误差合成补偿法。这种补偿方法是以误差合成公式为理论依据，首先通过直接测量法测得到机床的各项单项原始误差值，由误差合成公式计算补偿点的误差分量，从而实现对机床的误差补偿；第二类是误差直接补偿法。这种方法要求精确地测出机床空间矢量误差，补偿精度要求越高，测量精度和测量的点数就要求越多，但要详尽地知道测量空间任意点的误差是不可能的，利用插值的方法求得补偿点的误差分量，进行误差修正，该种方法要求建立和补偿时一致的绝对测量坐标系。进行数控机床的几何误差补偿，误差测量是关键，误差模型是基础。

2 热误差补偿分析

到目前为止，热的作用依然是影响机床尺寸误差和重复性的最大独立因素。经验表明，由热变形引起的误差占全部误差的40%～70%。

减少机床热误差通常有以下方法:①改进机床设计和材料。②采用热执行装置控制机床重要部件的温度。③研究温度分布和热变形之间的关系，并建立数学模型，用软件预报误差，通过NC装置补偿，以减少或消除由热变形引起的机床刀具位移。

目前，有两种不同的技术来实现误差补偿:反馈中断补偿法和原点平移补偿法。反馈中断补偿法是通过将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实现的。热误差补偿控制器获取进给驱动伺服电机的编码器反馈信号，同时，该补偿控制器还计算机床的热误差，且将等同于热误差的数字信号与编码器信号相加减，伺服系统据此实时调节机床的进给位置。原点平移补偿法原理是热误差补偿控制器计算机床的热误差，这些误差量作为补偿信号被送至CNC控制器，而后通过CNC控制系统中PLC的I/O口平移参考原点，以此实现热误差量的补偿。

3 切削力误差补偿分析

切削力误差是指数控机床加工时产生的切削力导致刀具、机床、工件的变形，从而使实际切削位置与理论切削位置发生偏移而产生的误差，切削力直接作用于刀具和工件，不仅使二者变形，也使机床主轴、工作台乃至整个机床产生变形，切削力误差就是综合这些变形产生的。

随着强力、高效切削方式的推进以及难加工材料的加工,由切削力引起的工件加工误差不容忽视。切削力误差直接测量法,实现了工作过程中切削力和误差数值的直接对应。数控机床上切削力变化会引起主轴伺服电机电流的变化，对机床主轴电机电流的测量比较容易和简单，所以，通过主轴电机电流变化来估计切削力大小是一种经济而又简便的方法。利用模糊神经理论建立鲁棒性强的切削力误差综合模型，最后给出在数控机床上实现切削力误差实施补偿的方案，并通过实验证明该补偿方案可大幅度提高数控机床的加工精度。

4 结语

误差补偿研究已经历了几十年的历史，已达到了一定的成熟阶段，但并还会产生问题，特别是在我国数控机床的大规模实际应用中，还有待于我们有关人员的进一步研究，让我们共同努力，以既有效又经济的高技术手段，进一步提高数控机床加工精度，并向国内机床制造企业和机床使用单位推广和应用数控机床误差补偿技术，提高我国的机床及制造装备技术水平，增大国产机床在市场中的份额，并将我们的数控机床误差补偿技术发展到国际先进乃至领先水平。