车削加工误差补偿技术及其应用

应玉忠

摘 要：数控加工中有机床的运动精度误差，刀具的尺寸误差，刀具、机床及零件的热变形和弹性变形误差，还有编程中的计算误差及加工方法引起的误差等，这些都是导致加工误差的因素。该文将主要探讨车削加工误差补偿技术及其应用。

关键词：车削加工  误差  补偿技术

中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0100-01

现如今随着科技的发展，人们生活水平的提高，大家对机械产品的精度和质量要求是越来越高。误差补偿技术由于无需投入大量资金对机床进行硬件改造，就可以有效地大幅度提高车削加工的加工精度，因此，逐步发展成为当今提高数控机床加工精度的主要方法[1]。

1 数控机床产生的加工误差

数控机床与普通机床的最主要差别有两点：一是数控机床具有“指挥系统”——数控系统;二是数控机床具有执行运动的驱动系统——伺服系统。

加工时在数控机床上与在普通机床上所加工时产生的误差，它们有着许多相同的来源，但是数控机床有着独特的特点，如伺服进给系统的跟踪误差、检测系统中的采样延滞误差等，这些都是普通机床加工时所没有的。所以在数控加工中，除了要控制在普通机床上加工时常出现的那一类误差源以外，还要有效地抑制数控加工时才可能出现的误差源。数控机床是一种典型的机电一体化产品[2]。数控机床的品质，如加工精度和动态特性，不是取决于采用什么档次的数控系统，而取决于高质量的机械部件和优化的装配工艺，取决于机电的密切配合。数控机床的传动系统由伺服电机驱动滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动。数控机床直线位移由位置测量系统检测。有些机床采用直接测量系统检测坐标的位置。直接测量系统也叫做全闭环，它是利用光栅尺来检测坐标轴的实际位移。有些机床采用间接测量系统，或称为半闭环，光电编码器安装在伺服电机内，检测伺服电机的角位移，由数控系统通过机械配比参数计算出坐标的位置。对于采用间接测量系统的机床，由于编码器只能检测到伺服电机的角位移，不能检测坐标轴的实际位移，坐标轴的位置精度由机械系统的精度和刚性主导。就是说，机械部件的制造和装配精度影响机床的实际定位精度。传动系统机械部件的制造和装配误差可以通过数控系统的补偿功能作一定程度上的补偿[3]。

2 车削加工误差补偿技术

法向矢量转动误差是由于加工表面法向矢量沿插补直线方向的转动引起的，可以对刀心位置进行修改，这样就就可对法向矢量转动误差进行补偿。在实际处理时，只对凸曲面进行法向矢量转动误差补偿，对凹曲面则不进行补偿，这样就会让刀具的切削运动轨迹更精确地逼近曲面，这是因为法向矢量转动误差小于直线逼近误差，从而能使补偿掉一部分，使加工精度能有所提高。另外一种更为有效的补偿方法是细分插补段长度，限制法向矢量的转角，达到自动按曲面曲率变化加密刀位点的目的。

数控加工误差补偿是通过对点的坐标数值进行修改，将精度提高来补偿误差。在线检测模块自动生成检测程序，CAD/CAM软件自动生成NC文件，误差补偿模块计算误差数值和误差补偿，这些都是计算机通过自身强大的功能自动完成的，不但提高了检测和加工的精度，而且缩短了误差补偿和数控加工的周期，提高了误差补偿和数控加工的效率。

3 提高车削加工精度的改善措施

保证和提高加工精度的方法，大致可概括为以下几种：减小原始误差、补偿原始误差、转移原始误差等。

3.1 减少原始误差

尽管在机床装配时采取了各种措施消除机床传动系统中可能存在的反向间隙误差，如滚珠丝杠螺母增加了消除反向间隙的机构，或者采用消隙的减速箱，但是很难完全消除传动系统中的反向间隙。因此可以利用数控系统提供的反向间隙补偿功能对误差进行补偿。要对反向间隙进行补偿，首先要准确地测量出反向间隙的大小。由于滚珠丝杠的制造误差，坐标轴的任何一个位置既有反向间隙也存在丝杠的螺距误差，因此要在一个位置测量反向间隙往往不能测出实际的反向间隙误差。通常采用多点测量法，在坐标轴的若干个位置测量出反向间隙，然后计算平均值。最准确的方式是采用激光干涉仪测量坐标轴全程的丝杠螺距误差，同时可以测出准确的反向间隙。

3.2 补偿原始误差

误差补偿法，是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中的原始误差。当原始误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值，并尽量使两者大小相等;或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的[4]。

3.3 转移原始误差

由于制造工艺的原因，实际的丝杠不可能达到理想的精度，存在螺距误差。丝杠螺距误差的大小决定了丝杠的精度等级。丝杠的误差可以利用数控系统的补偿功能部分消除或减小。数控系统对丝杠误差补偿的过程实际是通过调整丝杠的角度使得直线位移达到或接近指令位置。实际上丝杠的误差表现形式为非线性，而数控系统对丝杠螺距误差的补偿采用了线性插补法。线性补偿与非线性误差之间的矛盾影响了误差补偿的效果。

3.4 均化原始误差

对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨工艺。研具本身并不要求具有高精度，但它能在和工件作相对运动过程中对工件进行微量切削，高点逐渐被磨掉，最终使工件达到很高的精度。虽然在误差测量位置上的误差完全消除了，但是由于误差曲线的线性度不同，在整个补偿范围内的补偿效果是截然不同的。通过试验的结果说明，虽然丝杠的螺距误差在丝杠的总行程内是非线性的，但在某一个小的区间内误差是线性的或接近线性的。因此用数控系统的线性补偿功能，要达到最佳的补偿效果，就要截取具有线性度的误差段，就是测量误差的间隔越小，在测量区间内误差的线性度越高，因而补偿的效果越好。

4 结语

车削加工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，还有待于有关人员的进一步研究。

参考文献

[1] 王忠祥.数控机床加工过程综合误差分析研究[J].东方企业文化，2014（5）：22-23.

[2] 程志.数控机床误差补偿技术的研究[J].湖南农机，2014（2）：174-175.

[3] 董魏巍.数控机床加工误差产生的原因及对策[J].黑龙江科学，2014（1）：168.

[4] 余蔚荔.五轴数控机床轮廓误差预补偿技术研究[J].制造业自动化，2014（7）：29-31.endprint