数控机床精度控制与误差补偿 吴佳佳
第六章 误差补偿
误差补偿是通过检定机床各种误差或分析误差成因，依据检定结果及误差模型对机床各坐标轴的运动进行适当的修正来提高机床精度。随着工件加工精度的提高，单纯依靠通过提高机床零部件质量(加工精度、刚度与热特性等)、降低内部热源发热量、严格控制加工环境和使用条件来减小机床加工误差的误差防止措施，在技术上变得越来越困难，在经济上变得越来越难以承受。误差补偿技术的应用则是摆脱这一困境的根本性措施。同时，误差补偿技术的发展和应用突破了只有精密机床才能加工精密零件的传统观念，为利用数控机床加工精度比机床自身精度更高的工件创造了条件。机床误差补偿的基本思想就是人为地造出一种新的误差去抵消或大大减少当前成为问题的原始误差，通过测量、分析、统计及归纳等措施掌握原始误差的特点和规律，建立误差补偿数学模型，尽量使人为造出的误差与和原始误差二者的大小相等、方向相反，从而减少加工误差，达到理想的运动轨迹，提高零件的加工精度。与误差防止法不同，误差补偿技术将众多形成机床加工误差的因素视为一个不知其相互间作用内情的黑箱，只针对它最终出现的几何误差值予以自动修正。
误差补偿的关键是建立起正确的机床误差模型和能准确检定出机床误差。根据误差来源，误差补偿可以分为随机误差补偿和系统误差补偿两种。随机误差补偿要求在线测量，把误差检测装置直接安装在机床上，在机床工作的同时，实时地测出相应位置的误差值，用此误差值实时地对加工指令进行修正。随机误差补偿对机床的误差性质没有要求，能够同时对机床的随机误差和系统误差进行补偿，但需要一整套完整的高精度测量装置和其它相关的设备，成本高。系统误差补偿是用相应的仪器预先对机床进行检测，即通过离线测量得到机床工作空间指令位置的误差值，把它们作为机床坐标的函数。机床工作时，根据加工点的坐标，调出相应的误差值以进行修正。该方法要求机床的稳定性好，保证机床误差的确定性，以便于修正，经补偿后的机床精度取决于机床的重复性和环境条件变化。
因此数控机床误差补偿按误差补偿执行手段的差异可以划分为：软件误差补偿与硬件误差补偿。若按误差补偿执行相对误差辨识的时效性的不同可以分为:主动误差补偿与预先标定误差补偿，或称实时误差补偿与非实时误差补偿。若按补偿的误差的性质的区别可以分为单项误差补偿与综合误差补偿。 (1)硬件误差补偿：
硬件误差补偿是把已获得的误差值存储在机械结构上，如靠模、凸轮、误差尺等进行补偿，或利用误差平均作用原理使误差相互抵消，如多齿分度台、密珠轴承等。这种方法需预先知道被补偿误差的值，通常只适合用于预先标定误差补偿，并且只能补偿单项误差或部分综合误差。另外，这种方法在机床装配后难以调整补偿值，随着机床使用时间的增加，补偿效果会逐步下降，并且无法补偿如短周期误差等局部误差。随着计算机技术的发展，逐渐被软件补偿所取代。 (2)软件误差补偿：
软件误差补偿是根据被补偿误差修改机床加工工序计算机控制程序过程来实现。这种方法对于任何数控机床都可使用，并且既适用于主动误差补偿，也适用于预先标定误差补偿，既可实现单项误差补偿，也可实现综合误差补偿。软件误差补偿是现代补偿技术发展的方向，通过软件误差补偿的方法可以提高机床的精度，并可保持精度在较长时间内不变。
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软件误差补偿有预先标定误差补偿和主动误差补偿之分。
(3)预先标定误差补偿：
预先标定误差补偿是先对误差进行辨识，然后利用它标定或修改随后工序过程。预先标定误差补偿在目前机床误差补偿中被普遍采用。它只能补偿系统误差，并要求机床及误差辨识系统的精度都有很好的重复性。 (4)主动误差补偿：
主动误差补偿是在加工过程中检测辨识误差并利用它修改当即加工工序过程。主动误差补偿不仅能补偿系统误差，还可以补偿相关的随机误差。它要求误差的监测与补偿执行同时进行，需要实时性好的高精度误差监测辨识系统和响应快速快的误差补偿执行系统，以及要求这两个系统的性能有很好的稳定性。这种方法的优点是不依赖于机床的精度，可以简化机床运动学模型，已在磨削、端铣、键削和车削机床上得到了应用，目前的问题是成本较高、建模依赖于大量实验，补偿系统通用性不够。 (5)单项误差合成补偿法：
单项误差合成补偿法是以误差合成公式为理论依据，首先通过直接测量法测得机床的各项单项原始误差值，再由误差合成公式计算补偿点的误差分量，从而实现对机床的误差补偿。采用原点平移法实现机床空间误差的补偿，补偿用计算机计算机床的空间误差，这些误差量作为补偿信号送至CNC控制器，而后通过I/O接口平移控制系统的参考原点，并加到伺服环的控制信号中以实现误差的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的零件程序，因而，对操作者而言，该方法是不可见的。原点平移法不用改变任何CNC机床的硬件，但它需要改变CNC 控制器中的可编程逻辑控制(PLC)单元，以便在CNC端可以接收补偿值。这种改变在一些老型号的CNC控制器中也许是不可能的。 (6)误差直接补偿法：
误差直接补偿法要求精确地测出机床空间矢量误差，但补偿精度要求越高，测量精度和测量的点数就要求越多。实践中，要详尽地知道测量空间任意点的误差是不可能的，必须利用插值的方法求得补偿点的误差分量，进行误差修正。另外，该种方法要求建立与补偿时一致的绝对测量坐标系。误差补偿控制的反馈中断法是将相位信号插入伺服系统的反馈环节中而实现的。补偿用计算机获取编码器的反馈信号，同时还计算机床的空间误差，且将等同于空间误差的脉冲信号与编码器信号相加减。伺服系统据此实时调节机床导轨的位置。该技术的优点是无需改变CNC控制软件，可用于任CNC机床，包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号CNC机床。然而，该技术需要特殊的电子装置将相位信号插入伺服环中。这种插入有时是很复杂的，需要非常小心，以避免插入信号与机床本身的反馈信号相干涉。
(7)相对误差分解合成补偿法：
相对误差分解合成补偿法，大多数误差测量方法只是得到了相对的综合误差，可用来对机床进行验收和定期检测。由于该种方法测量速度快，测量仪器相对简单，精度较高，并且可以从中分解得到机床的单项误差，进一步利用误差合成的办法，对机床误差补偿是可行的。
误差合成法要求测出机床各轴的各项原始误差，较为成熟的测量方法是运用激光干涉仪，测量精度较高。但用双频激光干涉仪进行误差测量，花费的时间长，对操作人员调试
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水平要求高，对误差测量环境要求也较高。误差的直接补偿法，一般以标准件为对照获得空间矢量误差，进行直接补偿，少了中间环节，更接近机床的实用情况。但此法获得大量的信息量需要不同的标准件，实践中难以实现，这样补偿精度就受到限制。相对误差分解合成补偿法，运用球柄仪的测量方法相对简单，一次测量可获得整个圆周的数据信息，同时，可以满足机床精度的检测和机床评价。目前还有不少的误差分解的方法，由于机床情况各异，难以找到合适的通用数学模型进行误差分解，并且对测量结果影响相同的原始误差项不能进行分解，故难以推广应用。
采用误差补偿技术有下列几方面的意义：一是加工精度可以不依赖于机床本身的精度，因此，可以降低对机床零部件的制造精度要求，亦即高精度的工件可以通过精度等级稍低的机床加工出来，从而大大降低制造成本。二是可突破机械加工精度的极限，与机床制造精度的提高相结合，使数控机床的总体精度上升到一个新的台阶，以满足某些尖端产品的高精度零件数控加工的要求。三是在现有机床一般制造精度条件下，实施误差补偿以实现廉价的精度升级。四是由于加工精度不全依赖机床精度，因此，机床由于长期使用而造成的运动部件磨损，只要不影响重复性，磨损量可由补偿量来抵消掉，从而实现数控机床精度的再生。这样，就可大大延长机床的大修周期和机床的使用寿命，这对大型机床和精密机床来说，经济效益特别显著。
近年来，国内外学者针对误差补偿方法在数控机床上的应用开展了大量的研究工作，取得了一定进展。但由于加工过程的复杂性，受切削热、力、刀具磨损等因素的影响，机床误差产生的原因很多，因此，如何充分考虑各种误差源对最终刀具相对于工件综合几何误差的影响以提高误差建模的精确性，如何在加工现场采用低成本的方法快速检测机床各种误差源以提高误差检测的快速性，以及如何通过检测与软件技术相结合的方法实现对刀具相对于工件综合几何误差的补偿等诸多问题就成为解决数控机床误差补偿的关键。
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第七章 总结
本文从理论上分析了数控机床加工精度的建模基础及误差补偿的方法，对数控机床精度和误差做了一般性的描述。第一章绪论部分首先简要介绍数控机床的现状，和加工精度及误差补偿技术的概念；第二章提到数控机床的原理，组成，特点与分类，然后对多轴数控机床及其成形运动做了的一般综述；第三章里对误差源做了初步统计，并且做出具体分类，为后面的误差建模及误差补偿做铺垫；在第四章就介绍到了精度建模，也即误差建模，与误差检定(包括误差检测与误差辨识)一起，作为误差补偿的两项关键技术；第五章讲到提高精度的一种方法就是误差防止，在误差出现之前采取的措施消除或减少可能的误差，减少误差补偿的工作量；而第六章就说到误差补偿技术及其分类，前文的精度建模对误差补偿起到决定性的影响，其模型的选取与建立与否直接关系到误差补偿响应的结果好坏。
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参考文献
[1]吕宏立,李秀梅.数控机床信息化发展趋势.赤峰学院学报(自然科学版),2005/02 [2]刘正超.谈数控机床的分类与原理浅析.今日科苑,2008/02
[3]任永强,杨建国,基里维斯,赵海波.四轴数控机床误差综合建模原理及分析. 机械工程师,2003/08
[4] 杨建国,王嵘,朱卫斌,黄明礼,窦小成,关 贺,谢江生,李春.数控机床误差元素建模技术.江苏机械制造与自动化,2001/04
[5]李小力.数控机床综合几何误差的建模及补偿研究.华中科技大学,2006/11 [6]张江华.数控机床误差求解方法的研究.煤矿机械,2006/10 [7]陈英姝,数控误差补偿新技术研究.河北工业大学,2006/03
[8]刘红奇,李斌,刘焕牢.数控机床误差的快速标定及补偿技术.机床与液压,2004/12 [9]曹永洁,傅建中.数控机床误差检测及其误差补偿技术研究.制造技术与机床,2007/4 [10]李小力,周云飞,周济.数控机床位置误差建模与补偿.机械设计与制造工程,1999/03 [11]王小平,姚英学,荆怀靖.数控机床几何误差建模及误差补偿的研究.机械工程师,2005/09 [12]杨建国,薛秉源.数控机床实时误差补偿技术及其应用.上海交通大学学报,1998/05
[13]赵小松,郭红旗,刘又午.数控机床的误差模型.天津大学学报(自然科学与工程技术版),2001/06
[14]沈兴全,张清.三坐标数控机床精度检测与误差补偿.测试技术学报,2005/03 [15]张江华.三坐标数控机床运动误差的分析与检测.机械工程师,2005/09
[16]张晓龙.三轴数控机床通用几何误差软件补偿技术的研究.北京工业大学,2003/05 [17]谭晓兰,邹东林.六坐标并联式数控机床误差分析.机械传动,2004/03
[18]王波,向东亮,刘军.解析数控机床定位精度和重复精度.东方电机,2007/03 [19]章永强.经济型数控机床的精度分析.职业技能培训教学,2000/08
[20]粟时平,李圣怡,王贵林.基于多体系统理论的数控机床空间误差建模.长沙电力学院学报(自然科学版),2001/04
[21]粟时平.多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究.中国人民解放军国防科学技术大学,2002/10
[22]刘丽冰,乔小林,刘又午.多轴数控机床加工误差建模研究.河北工业大学学报,2000/03 [23]粟时平,李圣怡,王贵林.多轴数控机床的通用运动学综合空间误差模型.国防科技大学学报,2001/04
[24]李鸿,周云飞.NC加工位置误差模型及其测量和补偿方法研究.长沙理工大学学报,2004/12
[25]徐创文,穆玺清.进给伺服系统特性对加工精度的影响分析.航空精密制造技术,2002/05 [26]孙建仁.数控机床进给伺服系统特性对轮廓误差的影响.制造技术与机床,2004/10 [27]陶然,杨光,朱亮.数控机床加工精度提高方法的分析.湖北工业大学学报,2005/03 [28]刘焕牢,李斌,师汉民.数控机床螺距误差自动补偿技术.工具技术,2004/07
[29]孙建仁.数控机床进给伺服系统特性影响加工精度的分析.兰州理工大学学报,2004/03 [30]郑冬喜,邹传平.浅析数控机床的发展趋势及国内形势.科技资讯,2006/32
19
数控机床精度控制与误差补偿 吴佳佳
[31]袁顺建.论数控机床发展趋向.职业,2007/02
20