我國數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償分析

李鵬瑞

（秦皇島市首鋼長白機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 撫寧 066311）

1 幾何誤差產(chǎn)生的原因

普遍認(rèn)為數(shù)控機(jī)床的幾何誤差由以下幾方面原因引起:

（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(yùn)動(dòng)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(輪廓跟隨誤差),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(dòng)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(shí),這一誤差更為嚴(yán)重。

（5）機(jī)床的振動(dòng)誤差。在切削加工時(shí),數(shù)控機(jī)床由于工藝的柔性和工序的多變,其運(yùn)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。導(dǎo)致加工工件的表面質(zhì)量惡化和幾何形狀誤差。

上面的誤差可按照誤差的特點(diǎn)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,該方法對測量儀器、測量環(huán)境要求嚴(yán)格,難于推廣。

2 幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)

針對誤差的不同類型,實(shí)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(shí),實(shí)時(shí)地測出相應(yīng)位置的誤差值,用此誤差值實(shí)時(shí)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(shí)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。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是用相應(yīng)的儀器預(yù)先對機(jī)床進(jìn)行檢測,即通過“離線測量”得到機(jī)床工作空間指令位置的誤差值,把它們作為機(jī)床坐標(biāo)的函數(shù)。機(jī)床工作時(shí),根據(jù)加工點(diǎn)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。迄今為止,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(xiàng)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(xiàng)單項(xiàng)原始誤差值,由誤差合成公式計(jì)算補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量,從而實(shí)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Leete,運(yùn)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Hocken教授,針對型號Moore 5-Z(1)的三坐標(biāo)測量機(jī),在16小時(shí)內(nèi),測量了工作空間內(nèi)大量的點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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G.Zhang成功的對三坐標(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(yàn)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(xiàng)誤差,通過線性坐標(biāo)變換進(jìn)行誤差合成,并實(shí)施了誤差補(bǔ)償。X-Y平面上測量試驗(yàn)表明,補(bǔ)償前,在所有測量點(diǎn)中誤差值大于20μm的點(diǎn)占20%,在補(bǔ)償后,不超過20%的點(diǎn)的誤差大于2μm,證明精度提高了近10倍。除了坐標(biāo)測量機(jī)的誤差補(bǔ)償以外,數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)难芯恳踩〉昧艘欢ǖ某晒?/p>

（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(diǎn)數(shù)就要求越多,但要詳盡地知道測量空間任意點(diǎn)的誤差是不可能的,利用插值的方法求得補(bǔ)償點(diǎn)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(shí)一致的絕對測量坐標(biāo)系。

在國內(nèi),許多研究機(jī)構(gòu)與高校近幾年也進(jìn)行了機(jī)床誤差補(bǔ)償方面的研究。1986北京機(jī)床研究所開展了機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償研究和坐標(biāo)測量機(jī)的補(bǔ)償研究。1997年天津大學(xué)的李書和等進(jìn)行了機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)慕：蜔嵴`差補(bǔ)償?shù)难芯俊?998年天津大學(xué)的劉又午等采用多體系統(tǒng)建立了機(jī)床的誤差模型,給出了幾何誤差的22線、14線、9線激光干涉儀測量方法,1999年他們還對數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償進(jìn)行了全面的研究,取得了可喜的成果。

3 結(jié)語

綜上所述，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償,誤差測量是關(guān)鍵,誤差模型是基礎(chǔ)。通過誤差的補(bǔ)償,可以有效的提高機(jī)床的精度,為提升我國制造業(yè)水平作貢獻(xiàn)。

[1]倪軍.數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償研究的回顧與展望[J].中國機(jī)械工程，1997,8(1):29-32.

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