數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償方法

郭向濤

摘 要：關(guān)于數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償，不但可以改進(jìn)單個零件的加工精度，加強(qiáng)零件的質(zhì)量水平，提升企業(yè)的市場競爭能力，甚至可以提高整個機(jī)械工業(yè)的加工水平，對促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高我國的科技創(chuàng)新實力，繼而極大增強(qiáng)我國的綜合國力都具有重大意義。有關(guān)研究表明：幾何誤差和由溫度引起的誤差約占機(jī)床總體誤差的70%，其中幾何誤差相對較為穩(wěn)定，易于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；幾何誤差；補(bǔ)償方法

中圖分類號：G718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）03-351-01

一、幾何誤差產(chǎn)生的原因

1、機(jī)床的原始制造誤差

是指由組成機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀、表面質(zhì)量、相互之間的位置誤差所引起的機(jī)床運動誤差，是數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的主要原因。

2、機(jī)床的控制系統(tǒng)誤差

包括機(jī)床軸系的伺服誤差，數(shù)控插補(bǔ)算法誤差。

3、熱變形誤差

由于機(jī)床的內(nèi)部熱源和環(huán)境熱擾動導(dǎo)致機(jī)床的結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差。

4、切削負(fù)荷造成工藝系統(tǒng)變形所導(dǎo)致的誤差

包括機(jī)床、刀具、工件和夾具變形所導(dǎo)致的誤差。這種誤差又稱為“讓刀”，它造成加工零件的形狀畸變，尤其當(dāng)加工薄壁工件或使用細(xì)長刀具時，這一誤差更為嚴(yán)重。

5、機(jī)床的振動誤差

切削加工時，機(jī)床由于工藝的柔性和工序的多變，其運行狀態(tài)有更大的可能性落入不穩(wěn)定區(qū)域，從而激起強(qiáng)烈的顫振。

6、檢測系統(tǒng)的測試誤差

包括以下幾個方面：

（1）測量傳感器的制造誤差及其在機(jī)床上的安裝誤差引起的測量傳感器反饋系統(tǒng)本身的誤差。

（2）機(jī)床零件和機(jī)構(gòu)誤差以及使用中的變形導(dǎo)致測量傳感器出現(xiàn)的誤差。

7、外界干擾誤差

由于環(huán)境和運行工況的變化所引起的隨機(jī)誤差。

8、其它誤差（如編程和操作錯誤帶來的誤差）

上面的誤差可按照誤差的特點和性質(zhì)，歸為兩大類：即系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)誤差是機(jī)床本身固有的誤差，具有可重復(fù)性。數(shù)控機(jī)床的幾何誤差是其主要組成部分，也具有可重復(fù)性。利用該特性，可對其進(jìn)行“離線測量”，可采用“離線檢測——開環(huán)補(bǔ)償”的技術(shù)來加以修正和補(bǔ)償，使其減小，達(dá)到機(jī)床精度強(qiáng)化的目的。

隨機(jī)誤差具有隨機(jī)性，必須采用“在線檢測——閉環(huán)補(bǔ)償”的方法來消除隨機(jī)誤差對機(jī)床加工精度的影響。

二、幾何誤差補(bǔ)償方法

針對誤差的不同類型，實施誤差補(bǔ)償可分為兩大類。隨機(jī)誤差補(bǔ)償要求“在線測量”，把誤差檢測裝置直接安裝在機(jī)床上，在機(jī)床工作的同時，實時地測出相應(yīng)位置的誤差值，用此誤差值實時的對加工指令進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差補(bǔ)償對機(jī)床的誤差性質(zhì)沒有要求，能夠同時對機(jī)床的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。但需要一整套完整的高精度測量裝置和其它相關(guān)的設(shè)備，成本太高經(jīng)濟(jì)效益不好，進(jìn)行了溫度的在線測量和補(bǔ)償，未能達(dá)到實際應(yīng)用。機(jī)床工作時，根據(jù)加工點的坐標(biāo)，調(diào)出相應(yīng)的誤差值以進(jìn)行修正。要求機(jī)床的穩(wěn)定性要好，保證機(jī)床誤差的確定性，以便于修正，經(jīng)補(bǔ)償后的機(jī)床精度取決于機(jī)床的重復(fù)性和環(huán)境條件變化。數(shù)控機(jī)床在正常情況下，重復(fù)精度遠(yuǎn)高于其空間綜合誤差，故系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償可有效的提高機(jī)床的精度，甚至可以提高機(jī)床的精度等級。國內(nèi)外對系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法有很多，可分為以下幾種方法：

1、單項誤差合成補(bǔ)償法

這種補(bǔ)償方法是以誤差合成公式為理論依據(jù)，首先通過直接測量法測得機(jī)床的各項單項原始誤差值，由誤差合成公式計算補(bǔ)償點的誤差分量，從而實現(xiàn)對機(jī)床的誤差補(bǔ)償。對三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行位置誤差測量的當(dāng)屬“利特”，他運用三角幾何關(guān)系，推導(dǎo)出了機(jī)床各坐標(biāo)軸誤差的表示方法，沒有考慮轉(zhuǎn)角的影響。較早進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)是霍肯教授，針對三坐標(biāo)測量機(jī)，在16小時內(nèi)，測量了工作空間內(nèi)大量的點的誤差，在此過程中考慮了溫度的影響，并用最小二乘法對誤差模型參數(shù)進(jìn)行了辨識。由于機(jī)床運動的位置信號直接從激光干涉儀獲得，考慮了角度和直線度誤差的影響，獲得比較滿意的結(jié)果。1985年又有人對三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行了誤差補(bǔ)償。測量了工作臺平面度誤差，除在工作臺邊緣數(shù)值稍大，其它不超過1μm，驗證了剛體假設(shè)的可靠性。使用激光干涉儀和水平儀測量得的21項誤差，通過線性坐標(biāo)變換進(jìn)行誤差合成，并實施了誤差補(bǔ)償。X-Y平面上測量試驗表明，補(bǔ)償前，在所有測量點中誤差值大于20μm的點占20%，在補(bǔ)償后，不超過20%的點的誤差大于2μm，證明精度提高了近10倍，數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)难芯咳〉昧艘欢ǖ某晒?。?977年，研究人員運用矢量圖的方法，分析了機(jī)床各部件誤差及其對幾何精度的影響，奠定了機(jī)床幾何誤差進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)，得出了機(jī)床幾何誤差的通用模型，對單項誤差合成補(bǔ)償法作出了貢獻(xiàn)。

2、誤差直接補(bǔ)償法

這種方法要求精確地測出機(jī)床空間矢量誤差，補(bǔ)償精度要求越高，測量精度和測量的點數(shù)就要求越多，利用插值的方法求得補(bǔ)償點的誤差分量，進(jìn)行誤差修正，該種方法要求建立和補(bǔ)償時一致的絕對測量坐標(biāo)系。

1981年，研究人員在不同的載荷和溫度條件下，對機(jī)床工作空間點的誤差進(jìn)行了測量，構(gòu)成誤差矢量矩陣，獲得機(jī)床誤差信息。將該誤差矩陣存入計算機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過測量機(jī)床工作空間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)參考件上多個點的相對誤差，以第一個為基準(zhǔn)點，然后換算成絕對坐標(biāo)誤差，通過插值的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，結(jié)果表明精度提高了2-4倍。