数控机床误差补偿研究的回顾及展望

王军

【摘 要】在工业制造过程中经常会应用到数控机床误差补偿技术，然而机床在本身的制造、装配过程中出现缺陷造成的集合误差、机床温度变化引起热变形而造成的热误差以及机床切割中引起变形而造成的误差等是影响机床加工的关键因素，总结起来就是几何误差、热误差以及切削力误差。这三种误差在工程制造过程中占据了80%的误差比重。我国是制造业发达的大国，误差补偿技术的应用对提高我国制造业水平有着非常重要的意义和价值。

【Abstract】The error compensation for CNC machine tools is often applied in the industrial manufacturing process. The assembly error caused by the defect of the machine in the manufacture and assembly process， thermal error caused by thermal deformation of machine tool temperature， the error caused by the deformation of the machine tool are the key factors that affect the machine tool processing. These factors can be summarized as geometric error， thermal error and cutting force error， and they are 80% of total errors in the process of manufacturing. China is a big country of manufacturing industry. The application of error compensation technology is of great significance and value to improve the level of the manufacturing industry in China.

【关键词】数控机床；应用；误差补偿技术

【Keywords】CNC machine tools； application； error compensation technology

【中图分类号】TG659 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0174-02

1 引言

随着工业制造行业在我国快速发展，机械制造的智能化、高质量、高精度要求已经是我国制造行业关注的重中之重。在工业制造行业当中最受人们关注的就是数控机床的误差补偿，其极大地促进了制造工业的发展进程。在我国工业生产过程中精密加工技术的普遍应用，使得数控机床的精密加工以及检测技术在日常工作中的要求越来越高。然而数控机床誤差的影响因素众多，其中动态误差受到了机床动态特性的影响，机床各零部件综合决定了动态机床的性能，直接影响到机床动态误差的大小。

2 数控机床的历史与现状

机床误差热变形现象最早在瑞士被人们发现并研究，通过对坐标镗床的测量分析后发现影响到机场热变形的主要因素就是机床的热变形[1]。从此之后人们便开始了机床误差的检测、建模以及补偿技术的研究。1996年在美国密西根大学，人们在一家离合器制造厂的150多台车削中心上成功地应用了热误差补偿技术，使得机床加工精度提高了一倍以上。我国对于机床的热变形以及误差补偿技术的研究，从20世纪50年代起到20世纪70年代末，先后在不少高校以及研究院展开相关的机床热变形误差补偿技术的研究，在国内外有关人员的不懈努力之下，数控机床的误差补偿技术有了快速发展。然而就目前来看，国外的数控机床误差补偿技术还没有大量的在工业当中应用，国内误差实施补偿技术大多还在实验室研究范围内，市面上还没有见到有关数控机床的误差补偿技术报道，这说明在数控机床的误差补偿技术上还有很大的开发余地。

3 数控机床误差补偿的基础技术

3.1 数控机床的误差建模技术

数控机床的误差建模是数控机床误差分析补偿的技术之一，在实际操作过程中该技术主要应用到误差的综合建模分析技术以及误差分析技术，是数控机床误差建模技术当中重要的组成部分。同样的，在操作过程中弓箭与工具刀之间还经常会出现位移差的现象，在误差建模技术的运用状态下，可以精准地测量出误差建模控制技术以及表示上述位移，从而实现全面把握元素误差的技术，将误差直接有效地反映出来，因此误差建模技术在当前的研究过程中得到了广泛的应用，甚至成为工业制造领域最有代表性的误差建模技术。

3.2 数控机床的误差测量技术

误差测量技术是对机械的误差进行测量，其能够通过不同激光测量仪的运行，检测出机床不同位置、不同环境以及不同温度下的误差数值，从而来提高数控机床误差精度的控制水平。然而这种测量方法消耗时间过长，在测量过程中会出现严重的资源浪费，因此该技术通常都是应用在单一项目的误差测量过程中。简洁误差的测量技术主要是通过制定的指标因素，将测量的数据转化成为数据模型，然后通过简洁的推断和全面的机床误差数据分析来实现误差测量。这种测量误差的技术在优劣比较上非常明显，而利用这种测量方法来减少数控机床的误差并不复杂，并且有着检验结果准确度高以及操作周期短的优势。

3.3 数控机床的误差补偿技术

误差的补偿实施技术由两种技术构成，分别是离线补偿以及实时补偿[2]。在实时补偿中，补偿设备会将相关硬件辅助装置的数据资料进行收集，从而实现补偿设置数据误差的目的，再通过数控机床的数据结构以及数据模型来准确地处理输入补偿装置中输入的数据，并对数据结构以及数据模型进行构建，从而根据以上提供的数据实现实时补偿。

3.4 数控机床的几何误差参数法

在几何误差参数法中涉及到传统激光干涉参数法，传统的激光干涉测量技术是几何误差参数法的构成部分，能够有效地解决数控机床本身的运动问题，有效地控制数控机床中存在的误差，从而大大压缩逐个测量误差所耗费的时间，测量的操作难度以及操作量也大大减少。

传统的激光干涉仪能够对机床的空间误差进行有效分析，然后在这个技术的基础上构建数学基础模型，测量线上误差元素，分析得到的相应数据模型来获得集合数据误差，从而大幅度降低测量线路的工作量，也能有效地降低综合测量的误差元素。

3.5 多自由度激光干涉几何误差测量方法

通过分析九线法来分辨集合误差之中存在的问题，能够测量多方面的自由度。在测量过程中利用原有的激光干涉仪能够一次性的测量多个自由度，也能够同时测量到立体空间X、Y、Z三个方向，分析线的六个方向，在几个小时之内便能够完成测量工作量，大大地缩减了测量时间。

4 机床误差补偿技术的缺陷以及解决方法

①CCD 摄像装置与图像系统采集。CCD摄像装置是由多个感光像元的离散元素构成，能够通过扫描的方式来获取二维码。CCD摄像装置能够影响测量精度以及测量系统的关键部件，在选用过程中要充分地考虑测量范围以及测量的精度要求。摄像后的图像要录入图像采集卡，将视频信号转换成数字信号之后再传输给计算机运算系统。

②摄像装置将图片输入计算机之后将会对各种测点图像进行可靠性识别，在这个过程中会删除无效的图片，然后再对图像进行有效区域的选取和特征取证，最后得出集合参数。在数据库中取出相对应测点的标准数据与计算机图像分析数据进行对比，从而计算出工件在加工后不同测点的动态误差。

③优化测点的路径选择。在加工工件的检测过程中，测点的选取越多则被检测的曲面加工精度表现越详细。然而曲面的测点若是布设得过多，将会导致测点监测的效率以及机床的使用率大大降低，所以说去面测点的模块生成主要是针对类似自由曲面的零件进行测点分布规划。

5 结语

通过本文探讨研究可知，通过数控机床误差补偿技术的提升，机床精度得到了很好的控制，经济效应也得到了增强，这一技术在我国的经济发展中发挥着巨大的作用。当前数控机床误差補偿技术在我国的应用过程中还存在着不小的障碍，工作人员应当充分关注该技术的后续发展，在数控机床误差补偿项目研究过程中，把握好关键技术，推动控制准确性的提升，以促进误差补偿分析技术水平的提升，采取实际有效的措施方法来解决我国制造业发展过程中遇到的问题。

【参考文献】

【1】杨建国，姚晓栋. 数控机床误差补偿技术现状与展望[J]. 世界制造技术与装备市场，2012（03）：64-71+95.

【2】邓春丽. 研究数控机床误差补偿关键技术及其应用[J]. 科技展望，2016（12）：87.