论机床加工中的精度补偿技术

张茜　宁娇　包洪臣

摘 要：在机床对零件进行加工的过程中，主轴回转误差、导轨误差、机床和部件刚度、切削刀具的磨损以及热变形等，这些因素都会影响机床的加工精度，从而产生加工件有尺寸误差的现象，所以对机床加工过程进行精度补偿这是十分必要的。该文将以数控机床为例，从误差防止和误差补偿两方面入手，对机床加工过程中的精度补偿技术进行阐述，分析目前提高数控机床精度补偿技术存在的问题。

关键词：机床加工 数控机床 精度补偿技术

中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（b）-0089-02

随着制造产业的飞速发展，机械加工的精度要求越来越高，面对日益激烈的市场竞争压力，如何提高机床加工精度，保证零部件加工质量，降低相关生产成本，加大经济效益，是各个机械加工企业的发展目标。早先的机床智能化性能比较差，只能依靠操作工过硬的技术水平来提高加工件的质量，并且不能够在线检测产品误差，更谈不上对热变形、刀具磨损，以及夹具变形等误差影响因素进行有效控制了。数控技术和数控测量技术的有效结合解决了这个难题，比如说在数控机床上安装精度补偿正元件测头、位置传感器以及光栅尺等设备，使机床加工误差能够实时反馈给数控控制系统，使数控机床自动进行加工精度补偿，从而提高零部件的加工精度，并且很大程度上节省了原材料成本。

1 机床精度提高技术

目前，零件加工行业提高数控机床的加工精度主要有两种方法：一种是误差防止法；一种是误差补偿法。下面将对这两种方法进行简单介绍。

1.1 误差防止法

所谓误差防止，是指通过提高零部件设计、加工、装配的质量水平，有效控制环境因素等措施，以达到消除或减少误差源的目的。比如说采用高刚度和热对称的钢轨以及滚珠丝杆等部件进行室温控制等方式，就可以有效减少机床热变形和热源温升，从而减少误差的产生。

防止误差法主要分为尺寸误差几何误差防止、热变形误差防止以及其他误差防止三种。防止误差法在一定程度上能够削弱误差发生几率，但是对于完全消除热变形以及几何误差这几乎是不可能的。另外，母机床的加工精度对其产生很大影响，再加上提高零件质量的成本太高，所以在实际应用中不是很普遍。

1.1.1 尺寸误差几何误差防止

机床的几何误差大多数来自于机床本身的制造缺陷、机床各部件的配合误差以及机床的动/静变形等。针对这类误差，目前的技术主要是从主轴轴系以及导轨的工艺和材料入手，对数控机床的床身、滑枕、立柱、工作台、丝杠等机械部件进行静/动刚度、抗振性分析，从而控制这些部件的静/动态刚度和温度变化，最终提高机床的加工精度。

1.1.2 热变形误差防止

对于数控机床来说，热变形产生的误差在总误差中所占的比例是很大的，可以说热变形误差是影响数控机床加工精度的最主要的因素。数控机床的热误差主要是由于机床内外部热源（包括马达、轴承、传动件、液压系统、环境温度、冷却液等因素）通过接触面或者辐射等方式把热量向四周传递，致使零部件因受热而产生变形。热变形误差具有多变量、长时滞、非线性和强耦合的特点，对于这类误差的防止主要采用降低热源、控制热量传递路径，以及增加热稳定结构设计等方法。具体来说，比如通过控制发热源和发热量，加大机床运行过程中的冷却和润滑作用，完善机床的设计和配置情况，控制加工作业场所的环境温度等措施，从而降低机床加工时产生的热量，减少零部件的变形。

1.1.3 其他误差防止

除了以上提到的几何误差防止以及热变形误差防止之外，誤差防止还包括伺服误差防止、振动与环境误差防止和检测误差防止等。

1.2 误差补偿

1.2.1 主轴进给方向台阶面半精与精加工精度补偿

以缸盖底面的精铣加工为例，通过测头对已加工面进行检测，从而修改主轴和夹具变形造成的加工误差，使主轴进给方向的加工精度达到±0.15 mm/500 mm。通过测头补偿技术的有效应用，去除了主轴变形伸长及夹具变形倾斜的误差，使主轴方向的加工精度达到±0.025 mm/500 mm，使机床的加工精度进一步得到提升。

如图1所示，操作工艺流程如下。

（1）用精铣刀对工件进行初次试切，去除一部分加工余量。

（2）通过测头进给对试切后的工件面进行检测。

（3）撤回测头，并记录以上步骤发生的变量值Δ1。

（4）通过测头进给对半精加工后的工件面进行检测。

（5）撤回测头，并记忆发生的变量值Δ2。

（6）把记忆信息与机床加工时的理论坐标值进行比较，并进行补偿修正。

（7）把试切面作为精铣刀的基准面，加上切入补偿修正的值之后，进行工件面的精铣工序，直到完成加工图纸要求尺寸为止。

需要注意的是，在进行补偿设计的时候，必须要注意以下几点。

（1）要控制好进行测量记忆补偿量的测头工序与实际补正的加工工序之间的时间差额，一般不能超过10 min，否则，由于时间过长，则会导致温差的变化不同，以至于测量的补正量不准。

（2）补正量的公差带通常要设置为0.4（±0.2），与上次补偿量相比的限定值一般是0.1（±0.05），如果超出这两个值，测头就会发出报警。

（3）在程序设定过程中，测头补偿量普遍设置为保存1次。

1.2.2 主轴进给方向精加工精度补偿

温度的变化会使机床的主轴部件、夹具等产生变形，还会对刀具造成一定损害，以至于降低机床的加工精度。在精铣缸体顶面时，机床在主轴进给方向一般只能达到±0.15 mm/500 mm的加工精度，这与加工图纸上的要求还有一定差距。经研究实验发现，通过应用测头的精度补偿技术能够有效改善这一问题。测头的精度补偿能够对主轴变形伸长及夹具变形倾斜的误差进行实时在线测量并且及时做到修正补偿，使机床主轴方向的加工精度稳定达到了±0.025 mm/500 mm。