數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償方法研究

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1、數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償方法研究作者：柯明利，梁永回，劉煥牢摘要：對數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因作了比較詳細(xì)的分析，將系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法進(jìn)行了歸納，并在此基礎(chǔ)上闡述了各類誤差補(bǔ)償方法的應(yīng)用場合，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；幾何誤差；誤差補(bǔ)償前言提高機(jī)床精度有兩種方法。一種是通過提高零件設(shè)計(jì)、制造和裝配的水平來消除可能的誤差源，稱為誤差防止法(errorprevention)。該方法一方面主要受到加工母機(jī)精度的制約，另一方面零件質(zhì)量的提高導(dǎo)致加工成本膨脹，致使該方法的使用受到一定限制。另一種

2、叫誤差補(bǔ)償法(errorpensation)，通常通過修改機(jī)床的加工指令，對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級。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%，其中幾何誤差相對穩(wěn)定，易于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。對數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償，可以提高整個(gè)機(jī)械工業(yè)的加工水平，對促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高我國國防能力，繼而極大增強(qiáng)我國的綜合國力都具有重大意義。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：1.1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

3、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。1.2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。1.3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。1.4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。1.5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

4、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。1.6檢測系統(tǒng)的測試誤差包括以下幾個(gè)方面：（1）由于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）由于機(jī)床零件和機(jī)構(gòu)誤差以及在使用中的變形導(dǎo)致測量傳感器出現(xiàn)的誤差。1.7外界干擾誤差由于環(huán)境和運(yùn)行工況的變化所引起的隨機(jī)誤差。1.8其它誤差如編程和操作錯(cuò)誤帶來的誤差。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

5、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

6、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。以提高機(jī)床的精度，并可保持精度在較長時(shí)間內(nèi)不變。誤差合成法，要求測出機(jī)床各軸的各項(xiàng)原始誤差，比較成熟的測量方法是激光干涉儀，測量精度高。用雙頻激光干涉儀進(jìn)行誤差測量，需時(shí)間長，對操作人員調(diào)試水平要求高。更主要的是對誤差測量環(huán)境要求高，常用于三坐標(biāo)測量機(jī)的檢測，不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場操作。相對誤差分解、合成補(bǔ)償法，測量方法相對簡單，一次測量可獲得整個(gè)圓周的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可以滿足機(jī)床精度

7、的檢測和機(jī)床評價(jià)。目前也有不少的誤差分解的方法，由于機(jī)床情況各異，難以找到合適的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差分解，并且對測量結(jié)果影響相同的原始誤差項(xiàng)不能進(jìn)行分解，也難以推廣應(yīng)用。誤差的直接補(bǔ)償法，一般以標(biāo)準(zhǔn)件為對照獲得空間矢量誤差，進(jìn)行直接補(bǔ)償，少了中間環(huán)節(jié)，更接近機(jī)床的實(shí)用情況。但獲得大量的信息量需要不同的標(biāo)準(zhǔn)件，難以實(shí)現(xiàn)，這樣補(bǔ)償精度就受到限制。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

8、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。1998年上海交通大學(xué)的楊建國進(jìn)行了車床熱誤差補(bǔ)償?shù)难芯俊?996到2000年在國家自然科學(xué)基金和國家863計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，華中科技大學(xué)