數(shù)控機(jī)床空間誤差提高其加工精度的補(bǔ)償方法

孫梅

（常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000）

隨著我國數(shù)控機(jī)床的逐步發(fā)展，人們對于其精度的問題也越來越關(guān)注。而早在二十世紀(jì)七十年代，美國就開始致力于提高機(jī)床的精度問題，在那之后，對于機(jī)床精度的研究工作則越來越受到重視，并取得了較好的開展，機(jī)床的性能也因此得到提高。美國的這些研究工作推動了機(jī)床研究工作在世界范圍內(nèi)的展開。數(shù)控機(jī)床的加工精度會受到材料、環(huán)境、安裝制造和檢測控制等許多方面因素的影響，尤其是對于超精密產(chǎn)品的加工，每個因素都會影響到數(shù)控機(jī)床最終加工的誤差，所以需要對此進(jìn)行綜合的分析，并采取合適的控制手段，以保證或者提高機(jī)床的加工精度。為此，誤差補(bǔ)償技術(shù)就應(yīng)運而生了。

1 數(shù)控機(jī)床加工誤差補(bǔ)償?shù)母拍?/h2>

隨著許多工件加工精度要求的提高，單純依據(jù)機(jī)床零部件質(zhì)量、控制生產(chǎn)環(huán)境、控制機(jī)床使用條件和減低發(fā)熱量等措施來防止誤差的產(chǎn)生，這些措施在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都變得越來越難以接受，而誤差補(bǔ)償正是可以擺脫這種困境的有效措施。

誤差補(bǔ)償是通過對機(jī)床各種誤差進(jìn)行檢定或者分析其誤差的成因，然后根據(jù)檢定誤差的模型和檢定結(jié)果來對機(jī)床的坐標(biāo)軸進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚瑥亩岣邫C(jī)床的加工精度。誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展還改變了精密零件只有精密機(jī)床才能加工的傳統(tǒng)觀念，使數(shù)控機(jī)床的加工精度不再受限于機(jī)床本身的精度。誤差補(bǔ)償?shù)乃枷胧钦J(rèn)為制造新的誤差去抵消或者減少當(dāng)前存在的誤差，通過分析統(tǒng)計原誤差的規(guī)律特點，去制造出和原誤差大小相等和方向相反的新誤差，從而降低機(jī)床加工誤差，提高機(jī)床零件加工的精度。

2 數(shù)控機(jī)床加工的誤差分類

在數(shù)控機(jī)床加工中，零件的加工精工精度主要由切削刀刃和加工零件之間相對位置的準(zhǔn)確度決定的。如果在加工過程中機(jī)床和夾具工藝系統(tǒng)的環(huán)節(jié)偏離了它們的正確位置，就會產(chǎn)生加工誤差，根據(jù)誤差產(chǎn)生的來源、條件以及性質(zhì)的不同，我們可以將機(jī)床加工誤差分成許多類：（1）根據(jù)誤差來源可以將機(jī)床加工誤差分：為幾何誤差、熱誤差、力誤差、控制誤差、檢測誤差、隨機(jī)誤差；（2）根據(jù)誤差與機(jī)床加工系統(tǒng)的關(guān)系可以分為：內(nèi)部誤差和外部誤差；（3）根據(jù)誤差產(chǎn)生的條件可以分為：靜態(tài)誤差、準(zhǔn)靜態(tài)誤差、和動態(tài)誤差。

3 數(shù)控機(jī)床加工的誤差補(bǔ)償方法

目前，對于提高數(shù)控機(jī)床加工精度有兩種方法，一是誤差防止法，二是誤差補(bǔ)償法。誤差防治法是通過分析形成誤差的原因，從設(shè)計和制造途徑方面排除誤差源，但單純依靠誤差預(yù)防法來提高數(shù)控機(jī)床的加工精度是非常困難的，這是由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電氣零部件和機(jī)械非常很多，任何一個零部件的誤差都會是機(jī)床最終加工誤差的成因，要采用誤差防止發(fā)來控制誤差的話，就需要對每個零部件的誤差都進(jìn)行嚴(yán)格控制，而要做到對每個零部件的控制是很困難的，即是能做到也是很不經(jīng)濟(jì)的，需要投入大量的人力財力。而同時，由于外界的加工環(huán)境和條件都是在不斷變化而且很難預(yù)測的，環(huán)境條件的變化也造成機(jī)床加工的誤差，這是無法預(yù)防預(yù)測的。所以單純采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣邤?shù)控機(jī)床的加工精度并不能取得很好的效果。誤差補(bǔ)償法是通過對誤差的分析檢測，對加工零件在加工過程進(jìn)行軟件或者硬件上的修正，從而減低加工誤差，提高技工精度，這種控制機(jī)床加工誤差的方法比較靈活通用。

誤差補(bǔ)償法分為預(yù)先標(biāo)定誤差補(bǔ)償法和主動誤差補(bǔ)償法兩類：預(yù)先標(biāo)定誤差補(bǔ)償法又包括硬件誤差補(bǔ)償和軟件誤差補(bǔ)償，其中以軟件誤差補(bǔ)償較為實用，包括建立誤差模型、測量原始誤差參數(shù)以及辨識補(bǔ)償誤差三個階段。誤差建模——檢測——補(bǔ)償，這是誤差補(bǔ)償一般采用的方法。數(shù)控機(jī)床在對零件進(jìn)行加工的時候，是通過各個數(shù)控伺服軸的運動來合成刀刃的加工軌跡，所以如果可以測出機(jī)床加工中刀刃軌跡的誤差適矢量，并把這個誤差矢量分解成各個運動軸的粉適量，然后再驅(qū)動軸執(zhí)行加工指令的時候采用相反方向的誤差分矢量來多執(zhí)行分矢量數(shù)字的指令，這樣就能達(dá)到補(bǔ)償機(jī)床加工誤差的目的。

數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償方法可以按其補(bǔ)償原理分為比誤差分離法、誤差鑒定法、平均法、閉環(huán)法、誤差預(yù)測法等。數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償類型又可按其特征來分為實時與非實時誤差補(bǔ)償、靜態(tài)補(bǔ)償與動態(tài)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償與硬件補(bǔ)償這三種類型。

3.1 實時非實時誤差補(bǔ)償。在非實時的誤差補(bǔ)償中，對數(shù)控機(jī)床的誤差檢測以及其加工精度的補(bǔ)償是分離的。通常說來，非實時誤差補(bǔ)償只可以對數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)誤差部分進(jìn)行補(bǔ)償。而實時誤差補(bǔ)償則可不但可以補(bǔ)償機(jī)床的系統(tǒng)誤差，還可以補(bǔ)償很大部分的隨機(jī)誤差。對于機(jī)床加工的靜態(tài)誤差，普遍都采用非實時的誤差補(bǔ)償技術(shù)，而實時誤差則總是引用于熱變形誤差。實時誤差補(bǔ)償和非實時誤差補(bǔ)償兩者的成本相比，實時誤差補(bǔ)償?shù)某杀颈容^高，所以在制造高精度零件的時候才采用實時誤差補(bǔ)償技術(shù)，而非實時誤差的成本則相對較低，適用于對加工精度要求沒那么高的零件加工。另外由于在數(shù)控機(jī)床的加工過正中，加工誤差值是動態(tài)變化的，補(bǔ)償也有時間上的滯后性，所以實時誤差補(bǔ)償并不能夠補(bǔ)償?shù)饺康恼`差。

3.2 靜態(tài)補(bǔ)償與動態(tài)補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床加工誤差的靜態(tài)補(bǔ)償法，是只在對加工零件進(jìn)行加工時、預(yù)先設(shè)定好補(bǔ)償量或者補(bǔ)償參數(shù)，因而它只能按照預(yù)設(shè)的固定值來對加工誤差進(jìn)行補(bǔ)償，而不可以根據(jù)實際情況來改變加工補(bǔ)償量或者補(bǔ)償參數(shù)。精通補(bǔ)償法只能對系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，對于隨機(jī)誤差則無法實現(xiàn)補(bǔ)償?shù)哪康?。而動態(tài)誤差補(bǔ)償則是指在加工時可以根據(jù)機(jī)床的加工條件和環(huán)境狀況以及空間位置的變化來對補(bǔ)償量或者補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行跟蹤并且調(diào)整。動態(tài)補(bǔ)償是一種反饋補(bǔ)償，它可以補(bǔ)償機(jī)床加工的系統(tǒng)誤差，亦可以補(bǔ)償集合誤差、切削載荷誤差以及熱誤差等隨機(jī)誤差，具有比較好的誤差補(bǔ)償效果，是最理想的誤差補(bǔ)償方法，但是需要較高的成本和技術(shù)水平。

3.3 軟件補(bǔ)償與硬件補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床的加工誤差補(bǔ)償都是通過改變切削刀刃和加工零件的相對位置來實現(xiàn)的，對此，硬件補(bǔ)償法則是通過采用機(jī)械的方法來改變加工刀刃和加工零件的相對位置，這種機(jī)械的方法和通過利用微機(jī)的軟件補(bǔ)償法相比起來就顯得比較笨拙，要改變補(bǔ)償量就需重新調(diào)整，非常不方便，同時，硬件補(bǔ)償法對于局部的短周期誤差無法進(jìn)行補(bǔ)償。而軟件補(bǔ)償通過微機(jī)來執(zhí)行數(shù)控機(jī)床加工的指令代碼或者修改數(shù)控機(jī)床的加工代碼，來實現(xiàn)加工誤差的補(bǔ)償，從而使切削刀具和加工零件之間可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的相對定位。軟件補(bǔ)償發(fā)是數(shù)控機(jī)床特有的一種誤差補(bǔ)償方法，而對于一般的機(jī)床則無法采用，它克服了硬件補(bǔ)償?shù)娜秉c、并逐漸取代了硬件補(bǔ)償法，這是發(fā)展的必然趨勢。

[1]鄧曉京.數(shù)控機(jī)床運動誤差檢測與仿真[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]盧紹青.數(shù)控機(jī)床通用誤差補(bǔ)償技術(shù)研究[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.