數(shù)控機(jī)床的誤差分析與研究

摘 要：數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前生產(chǎn)過程中起到的不可或缺的作用，其精度是一個(gè)衡量數(shù)控機(jī)床等級(jí)的重要指標(biāo)，而誤差是嚴(yán)重干擾數(shù)控機(jī)床精度的。對(duì)誤差進(jìn)行分析，從而總結(jié)出誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 誤差分析 誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）010-068-02

1 引言

自動(dòng)化的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)過程中進(jìn)行精密加工，數(shù)控機(jī)床加工精度也在不斷提升，并且伴隨柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元（FMC）的需求不斷增加，提出了不同的加工誤差在線監(jiān)控及前期和實(shí)時(shí)的補(bǔ)償技術(shù)。

精度是數(shù)控機(jī)床中的參數(shù)?？傮w而言，提高機(jī)床精度是兩個(gè)基本的方法：防止誤差和誤差補(bǔ)償方法。防止誤差的方法顯著的局限性，一般造成昂貴的經(jīng)濟(jì)成本，誤差補(bǔ)償方法降低制造設(shè)備及設(shè)施的成本，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益，所以誤差補(bǔ)償在機(jī)械制造行業(yè)迅速發(fā)展。

2 數(shù)控機(jī)床誤差分類

數(shù)控機(jī)床的誤差是指的操作指令的實(shí)際作用，相比預(yù)計(jì)的結(jié)果差異的影響的程序。具體的含義是在機(jī)床實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)床工作臺(tái)和刀具的運(yùn)動(dòng)，理想與實(shí)際情況的差異。建立數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生的條件，并導(dǎo)致不同類型的分類方法的特定描述如下。

一般數(shù)控機(jī)床主要是機(jī)床身，立柱，主軸，以及各種直線導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)軸。所有這一切部件產(chǎn)生的誤差最后都?xì)w結(jié)都數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工的誤差。誤差來源可以被劃分成：（1）幾何誤差機(jī)床組件；（2）運(yùn)動(dòng)誤差；（3）熱變形誤差；（4）切削力；（5）機(jī)器重量和負(fù)載變形引起；（6）機(jī)械安裝誤差；（7）測(cè)試設(shè)備誤差；（8）刀具磨損；（9）伺服控制誤差和插補(bǔ)算法誤差。

問題的根源可分為幾何誤差和運(yùn)動(dòng)誤差，熱誤差，伺服誤差和切削誤差的四個(gè)類別。在數(shù)控機(jī)床誤差的各種來源中熱誤差和幾何誤差是所占比例最多的，其中的整體誤差的45%和20%，因此減少這兩種誤差較為重要，以提高機(jī)械加工的精度模式。

根據(jù)機(jī)器上的誤差產(chǎn)生的條件是不同的，可分為：

（1）靜態(tài)錯(cuò)誤：是指在數(shù)控機(jī)床不進(jìn)行切削時(shí)，檢測(cè)存在的誤差，其中包括機(jī)器的幾何精度和定位精度的兩個(gè)元素，也就是原來的精密機(jī)床和本身重力引起的誤差。

（2）準(zhǔn)靜態(tài)誤差：這是由于準(zhǔn)靜態(tài)的，并且索引超過一個(gè)給定的期間內(nèi)基本上是恒定的，或在給定的情況下，變化緩慢。準(zhǔn)靜態(tài)誤差對(duì)于加工的產(chǎn)品的誤差影響占了很大比值。

（3）動(dòng)態(tài)誤差：指的實(shí)際切割機(jī)工件的加工條件下被實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度，它是不僅準(zhǔn)確性的原始制造商的數(shù)控機(jī)刀具相關(guān)的，如處理的記錄的過程中，刀具和工件，本身的誤差，但切削力時(shí)，速度和其他相關(guān)的。

（4）高頻率誤差：一個(gè)動(dòng)態(tài)的誤差，如引起的振動(dòng)帶來的相關(guān)誤差。

再有就是根據(jù)數(shù)控機(jī)床誤差性質(zhì)的不同，可分為：

（1）位置誤差：在機(jī)床工作臺(tái)上或工具（機(jī)床坐標(biāo)系中）位置相關(guān)的誤差，這是一個(gè)函數(shù)的坐標(biāo)系統(tǒng)的位置誤差可表示為E = f{x，y，z，其他}，類似的幾何誤差。

（2）非位置錯(cuò)誤：與機(jī)床工作臺(tái)或刀具位置（機(jī)床坐標(biāo)）無關(guān)的誤差。

3 數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)分析

以誤差檢測(cè)和分析為基礎(chǔ)的誤差補(bǔ)償，以正確的方式使用或偏移誤差校正，提高了加工精度。

根據(jù)誤差的性質(zhì)和分類，可以將誤差補(bǔ)償技術(shù)分為兩類，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差補(bǔ)償。系統(tǒng)誤差可以確定是某些因素導(dǎo)致，一個(gè)或多個(gè)因素存在函數(shù)關(guān)系導(dǎo)致的有規(guī)律的誤差，所以測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是通常的離線分析處理和補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ浑S機(jī)誤差，在一定的不可控因素的隨機(jī)誤差引起的沒有固定的規(guī)則，隨機(jī)誤差補(bǔ)償測(cè)量通常是在實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法。

按照誤差補(bǔ)償技術(shù)的特點(diǎn)有如下幾種分類方式：軟件補(bǔ)償和硬件補(bǔ)償、非實(shí)時(shí)補(bǔ)償和實(shí)時(shí)補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與靜態(tài)補(bǔ)償。

數(shù)控軟件補(bǔ)償已經(jīng)開發(fā)出一種新的誤差補(bǔ)償，這種補(bǔ)償是用來執(zhí)行補(bǔ)償數(shù)控命令代碼，或改變模式。數(shù)控機(jī)床可以加工的NC代碼文件，通過實(shí)施微機(jī)實(shí)現(xiàn)的工具和零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，能夠使用的數(shù)控機(jī)床的軟件補(bǔ)償技術(shù)。

硬件補(bǔ)償是通過機(jī)械裝置來改變輔助裝置和工件之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償時(shí)，準(zhǔn)備的硬件補(bǔ)償系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備一般通用性是比較難以實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償和非實(shí)時(shí)的區(qū)別是實(shí)時(shí)的性質(zhì)和作用對(duì)象之間的主要區(qū)別。實(shí)時(shí)補(bǔ)償，是一個(gè)測(cè)量誤差補(bǔ)償，即實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，但實(shí)際測(cè)量誤差補(bǔ)償?shù)奶厥庑裕ǔＶ皇且粋€(gè)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償。實(shí)時(shí)補(bǔ)償，可以顯著地提高了設(shè)備的準(zhǔn)確度，但實(shí)施的成本是高的，通常是在制造高精密數(shù)控設(shè)備的使用，而非實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)，提高能力有限精度的同時(shí)，成本低，系統(tǒng)誤差補(bǔ)償領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)和靜態(tài)補(bǔ)償是由于系統(tǒng)參數(shù)的過程設(shè)置基于一個(gè)變量來區(qū)分。動(dòng)態(tài)反饋補(bǔ)償方法，它可以處理的機(jī)器工作環(huán)境因素和空間位置或固定補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)，不僅彌補(bǔ)系統(tǒng)誤差，并補(bǔ)償切割力誤差和其他隨機(jī)的熱誤差。

4 數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方法研究

數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方法是多種多樣的，最廣泛使用的是軟件誤差補(bǔ)償。數(shù)控CAD建模誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行代碼修正，數(shù)控補(bǔ)償，基于NC的誤差補(bǔ)償方法和反饋校正方法的常用方法。

（1）建模CAD預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，通常是基于三維建模軟件對(duì)于建模元件和參數(shù)設(shè)置，刀具路徑設(shè)置，附加進(jìn)程的數(shù)據(jù)設(shè)置，并最終生成NC程序。CAD建模預(yù)補(bǔ)償是為了加工的零件建模過程，其基本思想機(jī)床的誤差數(shù)據(jù)分析和處理，最終建立誤差補(bǔ)償模型，并再誤差補(bǔ)償給定接口導(dǎo)入建模過程中，從而達(dá)到加工精度提升的目的。

（2）數(shù)控代碼修正補(bǔ)償法。

加工誤差的影響下，NC代碼的一部分是存在一定誤差的，為了消除加誤差的影響可以被校正誤差補(bǔ)償NC代碼。預(yù)測(cè)誤差在NC代碼，NC代碼輸入軟件、補(bǔ)償模式下得到調(diào)整刀具中心點(diǎn)的實(shí)際位置為中心，從而校正NC代碼的理想選擇。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償了良好的效果，如幾何誤差的方法，但只有在給定的代碼修正數(shù)控機(jī)床，加工參數(shù)，通用性差。

（3）NC型誤差補(bǔ)償法。

接口NC類型數(shù)控補(bǔ)償系統(tǒng)是預(yù)測(cè)模型誤差，數(shù)控插補(bǔ)過程，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。這種方法的原理如下：具體的誤差補(bǔ)償接口數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)是當(dāng)前的（機(jī)器的位置參數(shù)和刀具信息）進(jìn)入設(shè)備故障預(yù)測(cè)模型后一個(gè)預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出相應(yīng)的誤差值反饋從NC系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)加工誤差值反映的實(shí)際處理，誤差補(bǔ)償。如圖1所示。

（4）反饋修正法。

CNC控制方法通常是常用的傳感器網(wǎng)格全封閉或半封閉的編碼器反饋裝置。反饋誤差修正模型的計(jì)算量的增加錯(cuò)誤反饋系統(tǒng)中的基本流程，逆向流和控制的情況和數(shù)字控制系統(tǒng)誤差補(bǔ)償。主體的作用，這種補(bǔ)償方法的數(shù)控反饋系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)流，并且只能補(bǔ)償?shù)妮S向方向上的每個(gè)傳動(dòng)誤差，對(duì)于整體空間上的誤差是很難達(dá)到補(bǔ)償效果的。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代制造業(yè)逐漸進(jìn)入高效率，高精度方向，數(shù)控機(jī)床和其他設(shè)備的性能要求也在不斷增加。誤差補(bǔ)償技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床主要手段的準(zhǔn)確性，這已經(jīng)是當(dāng)前迫切需要解決的問題了。

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