数控机床空间误差提高其加工精度的补偿方法

孙梅

（常德职业技术学院，湖南 常德 415000）

随着我国数控机床的逐步发展，人们对于其精度的问题也越来越关注。而早在二十世纪七十年代，美国就开始致力于提高机床的精度问题，在那之后，对于机床精度的研究工作则越来越受到重视，并取得了较好的开展，机床的性能也因此得到提高。美国的这些研究工作推动了机床研究工作在世界范围内的展开。数控机床的加工精度会受到材料、环境、安装制造和检测控制等许多方面因素的影响，尤其是对于超精密产品的加工，每个因素都会影响到数控机床最终加工的误差，所以需要对此进行综合的分析，并采取合适的控制手段，以保证或者提高机床的加工精度。为此，误差补偿技术就应运而生了。

1 数控机床加工误差补偿的概念

随着许多工件加工精度要求的提高，单纯依据机床零部件质量、控制生产环境、控制机床使用条件和减低发热量等措施来防止误差的产生，这些措施在技术上和经济上都变得越来越难以接受，而误差补偿正是可以摆脱这种困境的有效措施。

误差补偿是通过对机床各种误差进行检定或者分析其误差的成因，然后根据检定误差的模型和检定结果来对机床的坐标轴进行适当的修整，从而提高机床的加工精度。误差补偿技术的发展还改变了精密零件只有精密机床才能加工的传统观念，使数控机床的加工精度不再受限于机床本身的精度。误差补偿的思想是认为制造新的误差去抵消或者减少当前存在的误差，通过分析统计原误差的规律特点，去制造出和原误差大小相等和方向相反的新误差，从而降低机床加工误差，提高机床零件加工的精度。

2 数控机床加工的误差分类

在数控机床加工中，零件的加工精工精度主要由切削刀刃和加工零件之间相对位置的准确度决定的。如果在加工过程中机床和夹具工艺系统的环节偏离了它们的正确位置，就会产生加工误差，根据误差产生的来源、条件以及性质的不同，我们可以将机床加工误差分成许多类：（1）根据误差来源可以将机床加工误差分：为几何误差、热误差、力误差、控制误差、检测误差、随机误差；（2）根据误差与机床加工系统的关系可以分为：内部误差和外部误差；（3）根据误差产生的条件可以分为：静态误差、准静态误差、和动态误差。

3 数控机床加工的误差补偿方法

目前，对于提高数控机床加工精度有两种方法，一是误差防止法，二是误差补偿法。误差防治法是通过分析形成误差的原因，从设计和制造途径方面排除误差源，但单纯依靠误差预防法来提高数控机床的加工精度是非常困难的，这是由于机床的结构比较复杂，电气零部件和机械非常很多，任何一个零部件的误差都会是机床最终加工误差的成因，要采用误差防止发来控制误差的话，就需要对每个零部件的误差都进行严格控制，而要做到对每个零部件的控制是很困难的，即是能做到也是很不经济的，需要投入大量的人力财力。而同时，由于外界的加工环境和条件都是在不断变化而且很难预测的，环境条件的变化也造成机床加工的误差，这是无法预防预测的。所以单纯采用误差补偿的方法来提高数控机床的加工精度并不能取得很好的效果。误差补偿法是通过对误差的分析检测，对加工零件在加工过程进行软件或者硬件上的修正，从而减低加工误差，提高技工精度，这种控制机床加工误差的方法比较灵活通用。

误差补偿法分为预先标定误差补偿法和主动误差补偿法两类：预先标定误差补偿法又包括硬件误差补偿和软件误差补偿，其中以软件误差补偿较为实用，包括建立误差模型、测量原始误差参数以及辨识补偿误差三个阶段。误差建模——检测——补偿，这是误差补偿一般采用的方法。数控机床在对零件进行加工的时候，是通过各个数控伺服轴的运动来合成刀刃的加工轨迹，所以如果可以测出机床加工中刀刃轨迹的误差适矢量，并把这个误差矢量分解成各个运动轴的粉适量，然后再驱动轴执行加工指令的时候采用相反方向的误差分矢量来多执行分矢量数字的指令，这样就能达到补偿机床加工误差的目的。

数控机床的误差补偿方法可以按其补偿原理分为比误差分离法、误差鉴定法、平均法、闭环法、误差预测法等。数控机床的误差补偿类型又可按其特征来分为实时与非实时误差补偿、静态补偿与动态补偿、软件补偿与硬件补偿这三种类型。

3.1 实时非实时误差补偿。在非实时的误差补偿中，对数控机床的误差检测以及其加工精度的补偿是分离的。通常说来，非实时误差补偿只可以对数控机床的系统误差部分进行补偿。而实时误差补偿则可不但可以补偿机床的系统误差，还可以补偿很大部分的随机误差。对于机床加工的静态误差，普遍都采用非实时的误差补偿技术，而实时误差则总是引用于热变形误差。实时误差补偿和非实时误差补偿两者的成本相比，实时误差补偿的成本比较高，所以在制造高精度零件的时候才采用实时误差补偿技术，而非实时误差的成本则相对较低，适用于对加工精度要求没那么高的零件加工。另外由于在数控机床的加工过正中，加工误差值是动态变化的，补偿也有时间上的滞后性，所以实时误差补偿并不能够补偿到全部的误差。

3.2 静态补偿与动态补偿。数控机床加工误差的静态补偿法，是只在对加工零件进行加工时、预先设定好补偿量或者补偿参数，因而它只能按照预设的固定值来对加工误差进行补偿，而不可以根据实际情况来改变加工补偿量或者补偿参数。精通补偿法只能对系统误差进行补偿，对于随机误差则无法实现补偿的目的。而动态误差补偿则是指在加工时可以根据机床的加工条件和环境状况以及空间位置的变化来对补偿量或者补偿参数进行跟踪并且调整。动态补偿是一种反馈补偿，它可以补偿机床加工的系统误差，亦可以补偿集合误差、切削载荷误差以及热误差等随机误差，具有比较好的误差补偿效果，是最理想的误差补偿方法，但是需要较高的成本和技术水平。

3.3 软件补偿与硬件补偿。数控机床的加工误差补偿都是通过改变切削刀刃和加工零件的相对位置来实现的，对此，硬件补偿法则是通过采用机械的方法来改变加工刀刃和加工零件的相对位置，这种机械的方法和通过利用微机的软件补偿法相比起来就显得比较笨拙，要改变补偿量就需重新调整，非常不方便，同时，硬件补偿法对于局部的短周期误差无法进行补偿。而软件补偿通过微机来执行数控机床加工的指令代码或者修改数控机床的加工代码，来实现加工误差的补偿，从而使切削刀具和加工零件之间可以实现准确的相对定位。软件补偿发是数控机床特有的一种误差补偿方法，而对于一般的机床则无法采用，它克服了硬件补偿的缺点、并逐渐取代了硬件补偿法，这是发展的必然趋势。

[1]邓晓京.数控机床运动误差检测与仿真[M].西安：西北工业大学，2006.

[2]卢绍青.数控机床通用误差补偿技术研究[M].北京：北京工业大学，2007.