胡建中

[摘要]随着数控机床的发展，它的精度问题也随之受到关注。近年来，随着我国数控机床关键技术的突破，开始关注数控机床的性能，数控机床精度的研究受到重视。误差补偿法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高机床加工精度手段，其工程意义是非常显著的。对数控机床的误差补偿的实现进行研究。

[关键词]数控机床误差补偿实现

中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1871-7597(2009)0610120-01

提高机床精度有两种基本方法，误差防止和误差补偿，误差防止是通过设计和制造途径清除可能的误差源，单纯采用误差预防的方法来提高机床的加工精度是十分困难的。其原因一是机床的结构复杂，机械和电气零部件很多，其中任何零部件的误差均可能累计成为机床的总体误差或加工误差。为控制误差源，对每一个部件的误差加以极其严格的限制，这往往是无法办到的，即使可以办到，也是非常不经济的；第二个原因是加工条件和外界环境在发生不断的、有时是无法预测的变化，导致机床本身的误差和加工误差也会不断地发生变化，要事先预估或预防这些误差是办不到的。因此，单纯采用误差预防的策略，往往难于奏效，而必须辅以误差补偿的策略。

误差补偿是根据对误差的检测分析，在加工过程中从硬件上或软件上对这种误差进行修正，达到降低误差，提高加工精度的日的，比较灵活通用。误差补偿又分为两类，预先标定误差补偿和主动误差补偿。预先标定误差补偿包括软件误差补偿和硬件误差补偿，其中软件补偿比较方便实用，基本包括三个阶段，建立误差模型，原始误差参数测量，辨识误差并进行补偿。误差补偿一般是采用“误差建模～检测～补偿”的方法来抵消误差。由于数控机床加工零件时是由各数控伺服轴的运动合成刀刃的加工轨迹，因此只要能测量出机床加工时刀刃在加工空间中的轨迹误差矢量，把该矢量分解为各运动轴的分矢量，使各驱动轴在执行各加工指令时，多执行相反方向误差分矢量的当量数字的脉冲运动指令，就能达到加工误差补偿的目的。数控机床误差补偿的方法按原理可分为：平均法：闭环法；误差分离法；误差检定法：差动法；误差预测法。误差补偿的类型按其特征可分为：实时与非实时误差补偿，硬件补偿与软件补偿，静态补偿与动态补偿。

一、实时与非实时误差补偿

在非实时误差补偿中，误差的检测与补偿是分离的。一般来说，非实时误差补偿只能补偿系统误差部分，实时误差补偿不仅补偿系统误差而且还能补偿相当大的一部分随机误差。静态误差都广泛采用非实时误差补偿技术，而热变形误差总是采用实时误差补偿。非实时误差补偿成本低，实时误差补偿成本高。只有制造超高精度装备时，才采用实时误差补偿技术。此外，在动态加工过程中，误差值迅速变化，而补偿总有时间滞后，实时补偿不可能补偿全部误差。

二、硬件补偿与软件补偿

在机床加工中误差补偿的实现都是靠改变切削刀刃与工件的相对位置来达到，硬件补偿法是采用机械的方法，来改变机床的加工刀具与工件的相对位置达到加工误差补偿的目的。与利用微机的软件补偿相比，此方法显得十分笨拙，要改变补偿量，需改制凸轮，校正尺等补偿装置，或至少得重新调整，很不方便。再者，这种方法对局部误差(短周期误差)一般无法补偿。软件补偿是数控机床特有的补偿方法，一般的机床上无法实现。数控机床是靠微机执行数控加工的指令代码，使切削刀具与被切削工件之间实现准确的定位和相对运动。因此，数控机床存在软件补偿的潜能。软件补偿是通过修改数控加工代码或执行补偿指令来实现加工误差的补偿。由于软件补偿克服了硬件补偿的困难和缺点，逐渐取代了误差的硬件补偿方法，使误差的硬件补偿方法已成为历史。

三、静态补偿法与动态补偿法

误差的静态补偿是指数控机床在加工时，补偿量或补偿参数不变。它只能按预置的设定值进行补偿，而不能按实际情况改变补偿量或补偿参数。采用静态补偿方法只能补偿系统误差而不能补偿随机误差。动态误差补偿是指在切削加工条件下，能根据机床工况、环境条件和空间位置的变化来跟踪、调整补偿量或补偿参数，是一种反馈补偿方法。它不但能补偿机床系统误差，也可以补偿部分随机误差，能对几何误差、热误差和切削载荷误差进行综合补偿。动态补偿法可以获得较佳的补偿效果，是数控机床最有前途的误差补偿方法，但需要较高的技术水平和较高的附加成本。误差补偿技术，解决了高精度与低成本之间的矛盾，应用误差补偿技术提高机床的加工精度，已是必然的发展趋势。在误差补偿的实施中，应注意以下几点：

1误差补偿的运动学模型应满足完整性、分解性与实用性。完整性指覆盖机床整个工作空间。分解性指根据检测的数据确定各项原始误差。现有的大多数误差检测方法均不能同时满足所有这些要求，所检测得到的只是工作空间中某些区域上的加工误差。

2所有的误差成份需要通过实际测量获得，误差补偿的效果完全取决于误差辩识的准确性，因此，应加强误差测量方法的研究，提高测量的精度和测量效率。测试技术应进一步向多用途和在线测量方向发展，研究出能进行机床加工中的刀具动态性能实时监测的装置。发展能分解出误差根源的检测方法，具有重要实用价值。

3目前的研究成果大多所涉及的误差源为机床零部件的制造误差，热变形、载荷误差，而且只在几何误差补偿方面得到实用化，因此应加强对机床热变形、载荷误差的补偿技术研究，特别是机床在高速切削情况下，机床动态特性与加工误差的关系研究。

4静态补偿法在单项误差源的补偿中已有实用化的成功例子，而综合的补偿法还处在研究阶段。目前误差补偿技术只涉及位置矢量，由于机床的加工误差不仅与位置有关，还与加工时的速度和加速度有关，因此应研究机床误差与速度和加速度的的关系，建立动态切削加工情况下的精确数据模型或者有效的经验模型，使机床的误差补偿应用范围更广，效果更佳。

5误差补偿的效果与机床本身的原始精度有关，当机床的定位精度好时补偿的效果才明显。误差补偿技术只是提高数控机床加工精度的辅助手段，想要从根本上改变我国数控机床的面貌，必须从机床设计制造的全方位着手。