數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償研究

張書(shū)友 李 奎

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120）

隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用，現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)正朝著高效率、高質(zhì)量、高精度、高集成和高智能方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床精度的提高日益為人們所重視。數(shù)控機(jī)床的幾何誤差包括組成機(jī)床各部件表面加工精度、形位公差、熱變形等產(chǎn)生的機(jī)床誤差。幾何誤差受加工環(huán)境影響不大，加工過(guò)程中穩(wěn)定好，可以通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)提高加工的精度，是數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)闹饕芯亢桶l(fā)展方向。

1 幾何誤差產(chǎn)生的原因

（1）機(jī)床的原始制造誤差：由機(jī)床各零部件加工精度、形狀和位置公差所引起的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差，是數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的主要原因和研究發(fā)展的方向。

（2）機(jī)床加工中變形引起的誤差：它主要造成的是零件形狀變形，主要體現(xiàn)在當(dāng)加工薄壁工件時(shí)零件裝夾變形和使用細(xì)長(zhǎng)刀具加工時(shí)產(chǎn)生“讓刀”的現(xiàn)象。

（3）機(jī)床的振動(dòng)誤差：在加工過(guò)程中，由于切削參數(shù)選擇不合理會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和磨損，導(dǎo)致加工零件的表面質(zhì)量較差和幾何形狀的變形。

（4）機(jī)床熱變形誤差：在切削加工時(shí)機(jī)床內(nèi)部和外部會(huì)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致機(jī)床的結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差。

（5）機(jī)床控制系統(tǒng)誤差：由數(shù)控裝置引起的誤差，主要體現(xiàn)在機(jī)床的輪廓跟隨誤差和刀具軌跡插補(bǔ)計(jì)算法誤差等。

（6）檢測(cè)裝置測(cè)試誤差：數(shù)控機(jī)床檢測(cè)元件在生產(chǎn)過(guò)程中的制造誤差，在安裝過(guò)程中的安裝誤差，在使用過(guò)程中的變形誤差等導(dǎo)致測(cè)量傳感器反饋信息出現(xiàn)的誤差。

2 誤差補(bǔ)償原理

誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)是對(duì)理想的數(shù)控指令進(jìn)行修正，通過(guò)修正后的數(shù)控指令驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，達(dá)到補(bǔ)償誤差的目的。提高機(jī)床精度主要有防止和補(bǔ)償兩種方法。誤差防止法雖然可以通過(guò)提高零件設(shè)計(jì)、制造和裝配的水平來(lái)消除可能的誤差源，但受到生產(chǎn)成本大幅度提高的影響，該方法在實(shí)際使用中受到限制。誤差補(bǔ)償法是通過(guò)測(cè)量傳感器的反饋對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可以使刀具中心精確運(yùn)動(dòng)到加工點(diǎn)，獲得理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的升級(jí)。

數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償原理就是設(shè)置一個(gè)誤差來(lái)彌補(bǔ)原來(lái)的誤差。誤差補(bǔ)償技術(shù)是在不增加生產(chǎn)成本，不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)位置檢測(cè)裝置對(duì)機(jī)床加工過(guò)程進(jìn)行分析，計(jì)算出刀具中心點(diǎn)和實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)位置誤差，通過(guò)測(cè)量傳感器將該誤差反饋給機(jī)床的數(shù)控裝置發(fā)出指令，并通過(guò)伺服系統(tǒng)改變坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差修正，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。采用誤差補(bǔ)償技術(shù)能獲得理想的加工精度，具有成本低易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，誤差補(bǔ)償技術(shù)是提高機(jī)床精度最重要的方法。

3 幾何誤差補(bǔ)償方法

（1）靜態(tài)補(bǔ)償法：靜態(tài)誤差補(bǔ)償法在數(shù)控機(jī)床發(fā)展初期占主導(dǎo)地位。機(jī)械式靜態(tài)補(bǔ)償法是對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行調(diào)試，得出誤差值，通過(guò)修正傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移量，調(diào)整讀數(shù)裝置的示值以及應(yīng)用導(dǎo)軌反向彈性變形等措施來(lái)補(bǔ)償位移誤差，從而減小數(shù)控機(jī)床的誤差。這種誤差補(bǔ)償法效果不明顯，具有很大局限性，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的需要。這個(gè)最初的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)，一直未得到廣泛應(yīng)用和推廣，逐漸被其他補(bǔ)償技術(shù)替代。

（2）實(shí)時(shí)補(bǔ)償法：實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償法是通過(guò)測(cè)量機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置，并與規(guī)定值進(jìn)行比較，得出機(jī)床誤差值，然后按得出的誤差進(jìn)行反饋補(bǔ)償，從而提高數(shù)控機(jī)床加工精度。實(shí)時(shí)補(bǔ)償法在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用，可用于各種閉環(huán)位置控制的數(shù)控機(jī)床和具有帶反饋補(bǔ)償功能的機(jī)床 （如反饋補(bǔ)償型的開(kāi)環(huán)或半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床，帶有工件尺寸在線檢測(cè)和反饋控制的螺紋磨床及外圓磨床等）。針對(duì)數(shù)控機(jī)床類(lèi)型的不同，有多種不同的機(jī)床誤差類(lèi)型，可以補(bǔ)償形狀誤差，定位誤差，熱變形誤差等多種類(lèi)型的誤差。誤差測(cè)量是基礎(chǔ)，誤差補(bǔ)償是關(guān)鍵，誤差補(bǔ)償實(shí)施技術(shù)研究的根本是提高補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)用性。

（3）軟件補(bǔ)償法：軟件誤差補(bǔ)償法是在數(shù)控機(jī)床中建立一個(gè)閉環(huán)的模型軟件系統(tǒng)，將加工中的實(shí)時(shí)參數(shù)傳輸給模型軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)通過(guò)分析得出誤差值，再將誤差值通過(guò)檢測(cè)裝置反饋給機(jī)床的數(shù)控裝置后得出補(bǔ)償值傳給數(shù)控機(jī)床進(jìn)行調(diào)整后加工，這屬于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。在生產(chǎn)過(guò)程中，零件加工和誤差補(bǔ)償可以同步進(jìn)行。與靜態(tài)補(bǔ)償法和實(shí)時(shí)補(bǔ)償法相比，軟件誤差補(bǔ)償法使數(shù)控機(jī)床高精度加工的特點(diǎn)在加工過(guò)程中始終得以實(shí)現(xiàn)。軟件誤差補(bǔ)償法克服了數(shù)控機(jī)床制造時(shí)所帶來(lái)的硬件缺陷，是誤差補(bǔ)償?shù)囊环N理想的補(bǔ)償方式。數(shù)控機(jī)床軟件誤差補(bǔ)償包括反向間隙誤差補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償。

綜上所述，在數(shù)控機(jī)床加工中，誤差的測(cè)量是基礎(chǔ)，誤差的補(bǔ)償是關(guān)鍵。通過(guò)誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可以有效提高數(shù)控機(jī)床的精度，從而提高加工精度，為提升我國(guó)制造業(yè)的水平作出貢獻(xiàn)。

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