数控机床误差分析及位置精度提高方法

刘力学

[摘要]随着以制造业数字化、智能化为主导的第三次工业革命即将到来，先进制造技术创新的内涵主要包含产品设计创新、制造技术创新、产业模式创新。数字化、智能化技术将深刻改变制造业的生产模式和产业形态，将为我国的制造业发展带来前所未有的挑战和机遇。

[关键词]数控机床；误差分析；位置精度

1.数控机床误差分析

1.1数控机床误差来源

机床加工零件的过程就是刀具与毛坯或工作台相对运动的过程，因此两者之间相对运动的准确程度直接影响零件的精度。加工精度的产生是多种因素共同影响的结果。

机床的误差的影响因素涉及机床组成零部件的几何误差、工艺误差和安装误差等。其中，机床的几何误差对机床精度的影响权重比例达25%。因此，研究机床的几何误差对提高机床的精度有重要意义。

1.2传动精度对机床精度的影响

位置精度是衡量数控机床性能的重要指标，包括数控机床加工精度、定位精度和重复定位精度。影响数控机床精度的因素很多，主要取决于机床的静态特性、动态特性和热态特性。主要因素有以下几个方面：⑴组成机床的零部件加工时产生的尺寸误差和装配过程中产生的装配误差，统称为几何误差；⑵机床内外的热源引起的热变形误差；⑶机床的刚度、机床质量及切削力不足引起的振动误差；⑷机床主轴和进给伺服系统产生的伺服跟随误差；⑸数据插补运算过程中产生的插补误差；⑹其它误差，如检测误差、外界环境变化引起的环境误差。

机床中常用的传动机构有：带传动、齿轮传动、齿轮-齿条传动、滚珠丝杠螺母幅。这些传动机构引起的误差也是机床传动误差的主要影响因素。

1.3主要性能差距

就机床机械结构方面，国内外数控机床的差别并不大，采用的生产技术也相差无几，而其最大的差别体现在伺服控制系统和核心传动功能部件的转动和进给速度、位置精度和可靠性方面，以及整个机床的制造装配工艺水平与整体质量，这是国外产品占有相当份额的原因所在。

国内外此类产品的主要性能差距有如下几个方面：⑴主轴转速；⑵快速进给速度；⑶位置精度；⑷其他性能。

2.提高位置精度的主要方法

提高数控机床的位置精度通常采用误差防止和误差补偿两种方法。误差防止法是通过机床合理设计、零部件加工、合理装配、机床环境控制和正确使用来减少或消除可能存在的误差源，此方法是保证数控机床位置精度的最基本、最有效的手段。误差补偿法是通过分析影响机床加工精度的不同類型误差的来源，进行机床误差数学建模，通过对机床机械系统的误差进行修正，从而提高机床的加工精度。

2.1误差防止法

数控机床的几何尺寸误差主要来自于机床零件的形状和装配误差，因此在机床零件的加工和装配过程中，改进工艺方法和提高零件质量，以达到减少几何误差的目的。此外，对于机床热变形误差和振动误差，通过校核数控机床结构的刚度和热传导特性可达到减少误差的目的。与普通机床相比，数控机床有插补误差和伺服误差，采用合理的插补计算和伺服控制方法，可以减少该项误差。

⑴几何误差。机床组成零部件的几何误差直接影响机床的加工精度和加工工件的误差，其中机床主轴、导轨和进给系统零部件的几何精度等级影响最大。因此，可以通过提高机床组成零部件的几何精度来提高机床的加工精度，尤其要从主轴、导轨和进给系统这三个主要组成部分着手做深入研究。随着静压轴承、动压轴承、气压轴承等的研制和应用，数控机床的主轴回转精度可达0.01μm。另外，滑动导轨、液体和气体静压导轨、动压导轨的使用，机床的直线度误差0.005μm/1000mm。

⑵热变形误差。热变形误差是机床的发热部位产生热量，热量通过各种介质向外传递，导致机床关键零件变形从而产生误差。热变形误差是继几何误差之后影响机床加工精度的第二大影响因素，热变形误差补偿是提高机床精度的重要途径之一，对热变形误差补偿的研究晚于对几何尺寸误差研究，目前减小热变形误差的方法主要有硬补偿和软补偿两种方法。根据热变形误差产生的过程可以看出，减少和防止热误差变形有以下三个途径：减少热源和控制热流、优化机床结构设计和改善热传导性能。在精密和超精密零件加工中，这些机床的几何精度比较高，因此，降低热变形误差已经成为提高加工精度的主要途径。一方面采用空气静压轴承、磁悬浮轴承，减少摩擦，进而减少由此引起的热量；另一方面，合理布置机床结构，尽量采用对称布置，加快温度场热平衡，将相变理论应用到机床基础件的方法来减小热平衡也是近年来研究的新思路。

⑶伺服跟随误差。进给伺服系统是数控机床的一个重要组成部分，其性能直接影响零件的加工质量和生产效率。伺服系统静、动态特性对数控机床的定位精度、加工精度和位移速度有直接影响，对伺服系统的要求主要是精度、快速性和稳定性三个方面。数控机床伺服系统是按照数控装置的控制指令实现，由步进电动机或伺服电动机与传动机构结合来传动，因此，引起伺服系统的变化复杂，进而影响到加工误差。在数控机床的控制系统中，各坐标轴伺服系统准确跟踪数控指令的能力十分关键。目前对伺服系统跟随误差的研究主要集中在单轴伺服系统和多轴伺服系统性能的提高和改善两个方面。由于伺服控制系统根据反馈方式不同，分为开环控制和闭环控制系统两种控制方法。

⑷插补误差。在数控加工过程中，对于复杂零件的加工，由于刀具运行轨迹非常复杂，计算工作量大，很难准确地满足数控加工的实时性要求。因此在实际加工中，根据加工时进给速度的要求，采用插补运算的方法，完成在起点到终点的数据点密化工作，从而形成坐标轴的运动轨迹。针对插补运算过程中存在的误差问题，采用二维非参数曲线插补算法、弧长接近参数值的五次样条曲线、二次泰勒级数展开式基础上的参数补偿等方法，来减小插补误差，提高插补计算精度。

⑸其它误差。①环境误差；②检测误差。

2.2 误差补偿法

误差补偿法既要涉及机床各种误差的正确测量，而且也存在机床误差的运动学建模的问题。运用现代测量工具和技术测得机床几何误差比较容易，但机床热误差的精确测量相当困难。

运动学建模是对于与机床运动相关的误差成分来建立数学模型，所有的误差均需要通过实测获得，在补偿过程时，误差补偿系统则根据运动学和误差模型以及实时反馈得到机床的最终误差，再进行实时补偿。

误差补偿法主要分为硬件补偿和软件补偿。以前的机床误差补偿研究多集中在修改后台程序方面，随着现代微处理器技术、数字控制技术和传感测量技术的快速发展，数控机床软件误差补偿技术已逐渐发展成为提高机床位置精度的主要手段。

结论

现代制造业逐渐进入高效率，高精度方向，数控机床和其他设备的性能要求也在不断增加。误差补偿技术提高数控机床主要手段的准确性，这已经是当前迫切需要解决的问题。

参考文献

[1]张变霞.数控机床精度及误差补偿技术[D].太原：中北大学，2008.

[2]周红力.数控机床定位精度研究[D].长沙：湖南大学，2008.