数控机床空间误差补偿与应用

数控机床空间误差补偿与应用

于福来

通用技术集团沈阳机床有限责任公司 110142

摘要

数控机床精度要求的不断提升，逐渐向精密加工发展，因此从对数控机床精度提升角度进行研究，分析了三轴数控机床的各个直线轴误差及三个轴线之间的空间误差关系，对几种误差补偿方法进行综合分析。从空间误差补偿的角度研究对机床精度的提升，对空间中三个轴线之间的本身误差以及它们之间的误差进行补偿，从空间三维多角度保证机床的精度，同时也是对补偿方法的应用及验证。

关键词：误差；精度；空间误差；误差补偿

引言

对于数控机床这种基础制造工程技术的发展伴随而来的就是对加工精度要求逐渐由粗加工到精加工再到超精密加工的过程，在这个过程中数控机床的精度发展技术对精密以及超级精密加工尤为重要，通过减少单动环节增加联动过程的误差减小来确保精度的精密程度以及可靠运行的过程。之所以被称为精密或者超精密加工这都跟工作母机即能达到精细精度的数控机床有着千丝万缕的关系，甚至可以说精密的数控机床决定了加工工件的精密程度等级。在以往的精密加工过程中往往通过数控机床的装配原件的基准实现，这样的机床生产过程所需时间之长，产量低，从而影响精密技术的发展脚步。在加工中出现的误差难以避免并消除，通过提升机床装配部件精度的方法不能一直持续进行，因为这种提升程度有限，到一定程度之后就难以进步。自动化控制技术以及软件技术的飞跃发展，能逐步实现通过微小的进给位移消除在加工过程中产生的误差，从而实现精密加工的保证。现代的误差补偿技术大多都是随着数控机床的控制系统而进步，不同的数控系统虽然对误差的计算方法及补偿的原理不同，但能实现的效果却是一致的，误差补偿技术的不断持续发展，从多方面补充了因机床元件到达一定程度之后对精度提升没有效果的不足。做好误差补偿工作对机床精度提升有重要的作用，也是对提升我国工业基础的关键技术，可以减少硬件投入的资金，增强装备制造的能力的重要环节。

1 空间误差分类与定义

1.1轴线误差

机床X、Y、Z轴运动时，分别产生6项基本误差及三项垂直度误差。图1-1列出了数控机床各项几何误差参数的表示及其几何意义。机床空间误差元素21项：1）沿X轴移动时，线性位移误差δx(x)、Y向直线度误差δy (x)、Z向直线度误差δz (x)、滚转误差εx (x)、偏摆误差εy (x)和俯仰误差εz (x) ；2）沿Y轴移动时，同理有δy (y)、δx (y)、δz (y)、εy (y)、εz (y)和εx (y)；3）沿Z轴移动时，有δz (z)、δx (z)、δy (z)、εz (z)、εy (z)和εx (z)；4）X轴与Y轴间、X轴与Z轴间和Y轴与Z轴间的3个垂直度误差Sxy、Szx、Syz 。

图1-1 21项几何误差元素

1.2数控机床误差溯源

图1-2的误差源可按照误差的特点和性质，归为两大类：即系统误差和随机误差。数控机床的系统误差是机床本身固有的误差，具有可重复性。数控机床的几何误差是其主要组成部分，也具有可重复性。利用该特性，可对其进行“离线测量”，可采用“离线检测—开环补偿”的技术来加以修正和补偿，使其减小，达到机床精度强化的目的[2]。

随机误差具有随机性，必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响，该方法对测量仪器、测量环境要求严格，在实际应用中推广困难。目前主要针对系统误差来对数控机床进行补偿。

图1-2 数控机床主要误差源

1.3误差补偿方法

（1）单项误差合成补偿法：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，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。

（2）误差直接补偿法 ：建立和补偿时一致的绝对测量坐标系。在不同的载荷和温度条件下，对机床工作空间点的误差进行了测量,构成误差矢量矩阵,获得机床误差信息。将该误差矩阵通过存入计算机进行误差补偿。

2 空间误差补偿应用

2.1 立式加工中心线性轴测试与误差补偿

线性轴包括三个直线轴（X\Y\Z轴），分别对三个直线轴进行测试与补偿。进行直线轴检测的目的是为了给空间误差检测及补偿做一个良好的精度基础，否则会对空间误差的数据产生影响，因此需提前对直线轴进行定位精度的补偿工作。测试数据分析如下：

以一条直线轴测试结果为例进行误差补偿方法效果验证。直线轴X轴的检测结果：立式加工中心直线轴X轴的原始测试数据为：双向定位精度A=19.5μm，重复定位精度R=8.3μm，反向差值B=3.5μm；

经过补偿X轴检测结果：双向定位精度A=1.6μm，重复定位精度R=1.2μm，反向差值B=0.5μm 。测试曲线图如图2-1、图2-2所示：

图2-1 x轴检测原始数据图2-2  x轴误差补偿后检测数据

通过测试结果可以看出，利用软件直接补偿法可以有效提升数控机床精度，说明误差直接补偿法对于现在的数控机床精度提升有效果，从测试结果看数控系统的补偿功能对精度提升效果明显。但对于直线轴而言，在测试过程中还需要考虑温升及材料膨胀度对测试数据的影响，材料特性以及温度场对于机床整体精度的影响所占比重很大，因此如何避免温升的影响对于各种数控系统以及装配过程都是应该需要注意的问题。

2.2 立式加工中心空间误差补偿

作为线性轴误差测试与补偿的补充发展，新的空间测试方法应运而生，使误差补偿由线性向空间立体的误差补偿方向发展，轴线的误差补偿可以很好的解决某一直线轴的加工精度问题，但实际加工过程往往是一个复杂的空间运动过程，因此验证空间误差的补偿效果是否有效就很有必要。空间误差检测不仅是一种测量方法，也是误差补偿算法的扩展，通过矢量计算方法对空间的位置偏差、垂直度、直线度等误差进行综合计算与处理，最终形成空间误差补偿数据，提升机床空间加工精度。

检测方法与过程：在分段对角线路径移动时，可由各轴的向与负轴向移动来定义这8条对角线。例：PPP表示三轴的移动方向由起始点到终点，皆为正向移动。NPN则表示三轴的移动方向由起点到终点分别是Y轴正向移动、X轴及Z轴则负向移动。编写测试程序使平面反射镜在工作空间中的对角线分段移动，测试得出8条对角线分别为PPP、NPP、PNP、PPN、NNN、PNN、NPN及NNP的空间误差。如图3-3所示：

图2-3 测量体对角线与线路示意图

图2-4 补偿前垂直度

图2-5补偿后垂直度

通过补偿，机床各轴直线度和垂度误差整体明显减小；直线轴的定位精度重复精度及反向差值补偿效果明显。个别误差项补偿效果不好，通过分析认为：这些误差项补偿前数值就较小，且本次空间误差测试是根据四条对角线数据通过分离算法计算出各项误差值，而分离算法本身存在误差，因此对于数值较小的误差项补偿效果有限。

空间误差补偿取得了让数控机床精度提升的效果，但是也存在一些不足，线性测长容易受到现场环境、材料等因素影响，在实际测试中尽量降低这些因素的影响，提高测试数据的可信性。而空间误差测试主要受到仪器本身的影响，镜组与激光头之间的干涉影响降低了测试空间的大小，需要牺牲一些测试量程，特别是对于型号偏小的机床，影响较大。技术在进步，精度的测量也需要一步一步的前进，做好数据准确精准为以后创造高精密机床提供数据支撑。

3 结语

通过对三轴数控机床的误差分析研究，明确了在三轴机床的加工空间内的21项空间误差因素，利用数控系统的补偿功能以及测试技术的进步对空间误差进行了有效的补偿，提升了机床的空间加工精度，用数据说明了测试数据的准确以及补偿方法的有效。对当代数学理论与电脑控制算法进行综合拟合运用，特别是实现了空间误差的测量与补偿功能，使得我们如今对机床精度提升的维度从二维提升到三维空间，轴线与轴线之间的空间误差也能有效的进行补偿，实现补偿手段的多样化。

【参考文献】

【1】杨建国，数控机床误差综合补偿技术及应用，上海交通大学博士学位论文，1998．1

【2】倪军，数控机床误差补偿研究的回顾及展望，中国机械工程， 1997（1）

【3】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（5）

【4】 粟时平，多轴数控机床精度建模与误差补偿研究.长沙：国防科技大学博士学位论文，2002

【5】丁国富，多轴联动加工轮廓误差分析与控制技术研究，项目报告，2010年