浅析数控机床误差补偿关键技术

杜春艳

（江苏省铜山中等专业学校，徐州 221000）

机械加工生产中，受多种因素的影响，数控机床工作中会经常出现各种误差。为了降低这些误差，应综合分析误差，了解误差特点，掌握误差出现的规律，然后运用相关技术进行误差补偿，尽可能降低原始误差发生的概率以减小误差。误差补偿技术可以提高机床加工的准确性和精密度，确保产品质量，增强我国制造加工业占据国际市场的能力，因此对数控机床的误差进行分析尤为重要。

1 误差补偿及误差分析的意义

现实生活中，误差普遍存在。测量任何一种物理量，所得数值与真实值之间都会存在一定差异即误差。误差不可消除，但可有效减小。数据机床运用中，通常采用误差防止和补偿的方法提高加工精度[1]。前者是在机床设计、制造过程中减少或者消除产生误差的隐患，后者是通过改变操控机床的指令实现误差补偿，从而获取理性运动轨迹，提高机床加工精度。在分析、掌握误差特点及发生规律的基础上进行误差数学建模，制造人为误差以减弱或者抵消原始误差，最终使两种误差方向相反、数值相等，提高加工产品的精度。同误差防止相比，误差补偿的经济价值更高，降低加工误差的效果更好。

分析数控机床误差，应当了解误差来源，分析产生误差的原因。误差分析是误差补偿实施的前提，通过分析掌握各种误差性质以及相互之间的联系，制定有效的补偿措施，确保误差补偿的合理性和有效性。所以，误差补偿实施前分析误差非常重要。

2 影响数控机床加工精度的空间误差源

2.1 力误差

机械加工生产中，受机床刚度影响，机床在力的作用下发生弹性变形。机床工作过程中，所受力主要有夹具、工件以及机床的自身重力，刀具切削所产生的切削力，工件装夹时工件与夹具之间产生的装夹力等。

2.2 位置误差

位置误差又称几何误差，产生的原因在于机床设计存在缺陷，零部件设计、加工存在误差，零部件运动与相对位置发生改变，零部件装配不合理等。

2.3 热误差

机床运行中，机床温度变化不均匀，导致机床零部件外形尺寸及部件之间相对位置等发生变化，主要表现在工作台变形、立柱、丝杠、机床床身受热出现膨胀以及主轴变长等方面[2]。图1为热误差产生原理。

诸多误差中，位置误差和力误差所占比例较大。随着机床误差研究的不断发展，定位精度不断提高，位置误差得到改善。热误差对数控机床的加工精度影响较大，是机床误差的主要来源。

3 误差补偿关键技术

数控机床的误差补偿主要包括误差建模、误差测量以及误差实施等内容。补偿过程中运用的技术是决定误差补偿效果的重要因素。图2为误差补偿的关键技术。

图1 热误差产生原理

图2 误差补偿关键技术

3.1 建模技术

误差建模是实施误差补偿技术的前提条件。误差模型的内容主要包括综合模型和元素模型两类。综合模型包括车床运行过程中的刀具位移和换刀操作产生的综合误差，通过建立车床各个作业部件的运动模型分析车床作业过程中的综合误差。元素模型主要指针对单个刀具、夹具检测出的位置误差，如车床的主轴定位误差等。通过分析车床整个作业过程的综合误差模型和针对关键作业部件的元素误差模型，能够更加准确全面地了解整个车床作业过程中的误差情况。

3.2 测量技术

它以机床每个独立的误差成分为基础，确定最终的方向误差和位置误差，因此需要精准分析、正确测量和有效识别误差的成分。测量误差主要包括间接识别和直接测量两种方式[3]。间接识别利用仪器设备测量误差，如平面光栅、球棒仪等，建立运动学误差模型，利用数学方法分离所测误差，最后获得误差成分。例如，综合误差通常用间接方法进行测量。直接测量是利用机械、光学或者干涉设备，针对不同温度、不同位置进行误差测量。例如，单项误差通常用直接方法进行测量。一般情况下，利用间接方法测量误差分量，速度快，效率高。直接测量虽然测量原理简单，测量精准度高，但是耗时较长。寻求测量效率和测量精度的平衡点，是研究测量技术的关键所在。在确保测量精度的前提下，要求最大限度地提高测量效率。

3.3 实施技术

误差补偿要以误差建模分析和误差测量的结果为准。补偿实施的方式分为实时补偿和离线补偿两大类。实时补偿主要指硬件设备在运行过程中根据测量技术的反馈数据，向补偿装置发送补偿实施指令，然后由补偿装置根据指令将出现误差的部分调整到合适的位置或合适的温度。这一过程主要依靠补偿装置装载的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），对测量装置发布的数值进行实时建模运算，然后根据实时运算结果补偿车床。这种补偿实施方式的灵活性较高，且能够对正在运行的车床的多个部件的误差同时进行补偿，能够保证误差补偿效率，也能保证一定的误差补偿精确度。离线补偿则指将所测误差值与误差文件进行对比，由数控系统依据对比结果修改现有的车床加工程序，从加工工序、刀具运行参数的调整等方面优化当前的车床数控程序[4]。

4 空间误差补偿综合建模

4.1 系统结构分析

采取某种形式将多个柔体或者刚体联接组成的机械系统即为多体系统。它能够有效、抽象地描述完整的生产加工体系，利于复杂的机械加工系统研究。多体系统应用范围广，系统性强，可用于空间位置误差的建模，确保模型数据的准确度和实际效益。该系统的理论特点是通过低序阵列描述系统拓扑结构，从而获得任意两个物体之间的位置关系。数控机床是一个特殊、典型的多体系统。图3为系统结构图。

图3 多体系统结构图

4.2 准确建立坐标系

系统加工建模过程中，需要相关工作人员全面研究分析系统位置、坐标以及理想参数，建立机床零部件的坐标系，确保高中低体坐标关系的顺利转化，全面分析、掌握系统内物体之间的相对位置和运动问题。建立零部件的坐标系时，相关工作人员的首要任务是建立准确的坐标系，以便进行综合误差模型的建立与操作，也可在一定程度上减少模型建立过程中的误差。

4.3 分析坐标误差

通常而言，数控机床加工部件定位和方向的确定需要从6个自由度入手，其中自由度转角和平移各3个，因此机床加工中会有6个误差源。对于3坐标的机床运动轴只有3个。当机床运动沿着X轴进行时，围绕3个轴方向出现角度位移误差及沿3个轴方向会出现线性位移误差。图4为X轴位置误差。

图4 X轴位置误差

由此可以得出沿其他两轴运动过程中产生的误差。此外，3条坐标轴之间还存在3项垂直误差，3坐标机床空间误差共有21项。图5为垂直误差图。

图5 垂直误差

4.4 正确识别空间误差参数

对误差进行辨别，是研究误差补偿工作的前提。正确进行误差识别是确保系统补偿精度的重要措施。目前，以多体系统为基础的误差识别技术得到了相关人员的关注，其中运用9线法可获得全部参数值。例如，基于X轴，在平面YOZ内选择3个点位，3点之间互不相关，然后通过激光干涉设备测量3点沿着X轴进行运动过程中产生的误差值。

4.4.1 误差参数传统测量法

通过激光干涉设备识别空间误差参数，主要分为传统测量法和基于传统的测量法等[5]。传统测量能够解决比较复杂的机床运动问题，有效控制数据误差，提高测量效率，减少操作工作量，降低测量难度。误差测量中，通过激光干涉设备传统测量法可有效识别机床定位误差，测量滚角误差，取得有效的误差补偿。

4.4.2 基于传统测量误差参数测量法

基于传统测量方法的激光干涉设备参数识别，在传统测量的基础上分析机床的空间误差，对误差的数学结构进行建模，测定线上误差元素，同时分析测得的数据信息和数据模型获得位置误差。该方法有效降低了线路测量的工作量和测量误差经费，提高了综合误差测量的有效性、测量误差元素的效率以及测量误差补偿的经济效益。但是，实际测量中，基于传统测量方法的激光干涉设备比较复杂，通常需要运用特殊的测量元件，对测量设备提出了较高要求。

4.4.3 多自由度空间误差参数测量方法

多自由度位置误差参数测量主要利用9线识别法分析处理机床空间误差中存在的问题，对加工件进行多个自由度测量。该方法在测量中可利用既有激光干涉设备一次测量多自由度，分析线性轴误差。多自由度干涉测量空间误差的参数，同时测定3个坐标轴的方向，运用工作台，在短短几个小时内便可完成全部的误差测量工作，大大提高了测量效率。

5 数控机床误差补偿技术发展存在的不足

就目前机械加工行业的现状来看，误差补偿技术虽然已经实现了低成本、高精度的运用目标，但是实际应用中，国内大部分机床制造企业并没有完全掌握该项技术，机床误差补偿关键技术发展还存在诸多不足。例如：误差补偿空间建模缺乏通用性和程序化程度低，不能在同类型不同数控机床上使用数学模型；辨别误差参数的技术不够成熟，不能快速识别误差；生产企业投放到误差补偿技术研发方面的经费不足，不能在数控系统内有效嵌入补偿技术，在工业领域内应用规模较小；加工误差受加工对象的影响，如被加工件的材料、质量等问题造成加工原件的属性缺乏均衡性等[6]。

可见，想要促进误差补偿技术实现科学性和广泛性发展，应当增加研究误差补偿的力度，由简到繁逐步建立合理的误差模型，健全应用补偿技术的体系，如多体系统机床位置误差综合模型补偿、三轴机床21项空间误差参数以及九线识别误差参数等。这些技术的应用可不断提高识别误差的精准度和效率，从而有效提高数控机床的加工精度。

6 结语

机械加工生产中运用误差补偿技术是机床精度和生产效益提高的重要工具，在我国经济发展及社会建设中发挥着重要作用。针对误差补偿进行研究，需要相关工作人员全面了解和掌握误差补偿技术，深入研究补偿技术的拓展空间，强化误差补偿的实际效果，促进我国机械制造行业稳固、健康发展。