數控機床誤差的辨識新方法研究及補償應用

李 陣,王海東

（沈陽機床股份有限公司,沈陽 110141）

數控機床誤差的辨識新方法研究及補償應用

李 陣,王海東

（沈陽機床股份有限公司,沈陽 110141）

數控機床的誤差辨識是驗證機床綜合性能的主要手段和重要方式，通過誤差辨識得出的結果可以為補償誤差提供理論依據，誤差的診斷結果同時還能夠為機床的檢修提供科學的判斷，本文就數控機床存在的空間定位誤差進行綜合性分析，利用變換坐標的方式建立新的坐標體系，幫助機床進行誤差的測量和補償。

數控機床；誤差；辨識方法；補償應用

數控機床在使用的過程中會出現一系列誤差，最主要的誤差是熱誤差和幾何誤差，需要提高數控機床的加工精度，就需要采用合適的方式減少這兩種誤差對數控機床工作的影響。隨著我國制造水平的提高，對于數控機床精度的要求也越來越高，但是精度越密集的機床，其熱誤差占總誤差的比例往往越高，因此，對熱誤差進行補償是提高數控機床精度的關鍵。

1 數控機床誤差的主要辨識方法

1.1 數據評估法

數據評估法是對機床的每個軸中的直線度和垂直度進行測量，然后將測量的數據和機床的初始狀態時的數據進行綜合比較，根據機床幾何精度的變化將測量出來的結果單獨繪制成幾何圖形，就能通過圖形找出敏感的直線誤差甚至是垂直誤差。將所有實驗中取得的數據繪制在一張圖形上，從中得到占空率對機床幾何精度變化的影響。直線度的誤差可以由機床軸進行判斷，橫軸上的直線度數據一般不能超過3微米，主要原因在于橫軸對熱有一定的敏感性，從傳感器收集到的數據可以看出溫度與機床其他部位相比存在的差別。縱軸上的垂直直線度一般會達到15微米，這根橫軸的運動有著一定的聯系。與直線度的誤差相比較，垂直度的誤差是引起機床幾何精度直線下降的主要原因，一般情況下，當垂直度的誤差超過140微米時就會威脅到機床的正常工作，所以在誤差靠近140微米時候需要及時對機床進行調整，保證其工作的正常運行。

1.2 球桿儀檢測法

機床在運動過程中，管理人員往往會使用球桿儀對機床運動的精度進行測量，由于實際的誤差軌跡是由多種誤差組成的，在多種誤差的作用下會形成統一誤差軌跡。在進行誤差分離時應該根據每一種誤差軌跡的模式特點對誤差進行分離，最后對各項誤差進行準確辨識。球桿儀具有誤差模擬的功能，通過模擬發現某一項誤差時可以對已經存在的誤差進行等比例的拉伸或者進行等比例的收縮，保證軌跡誤差中的數值不發生變化，從而能夠為單項誤差的辨識提供數據依據，為了保證辨識結果的準確性，需要對間隙誤差進行補償，當存在反向的間隙誤差時，同時還存在反響越沖時，需要明確其在軌跡誤差中的位置，進而確定其大小。

1.3 激光干涉儀測量法

激光干涉儀測量法是機床誤差測量中相對完善和成熟的測量工具。由于數控機床本身的運動相對復雜，其在運動過程中產生的誤差也是相對復雜的，對這些誤差進行逐一測量需要花費較多的時間，通過激光干涉儀能夠對機床的線性定位誤差進行辨識，其測量原理如下圖所示。

激光干涉儀測量原理

對機床的線性定位誤差進行測量時，需要固定干涉鏡，然后移動反射鏡，分別測量三個數軸的定位誤差，在此期間需要對激光干涉儀進行三次安裝。通過光束反射的激光頻率進行位移測量，從而可以得到機床運動過程中出現的一系列誤差。

2 數控機床誤差的補償應用

2.1 誤差的測量

數控機床的誤差主要有定位誤差和熱誤差，其定位誤差通常是和位置相關的幾何誤差，造成這些誤差的原因主要有機床的制造缺陷和部件配置所造成，這種誤差可以通過數控系統對其進行補償，定位誤差往往是與溫度有關又與位置有關的誤差，需要在不同的溫度下對誤差進行測量，通過插補法建立定位誤差與溫度和位置之間的關系模型，并對此進行補充補償。

2.2 補償裝置的安裝

在進行誤差補償時需要安裝適當的補償裝置。

首先在機床上布置一些溫度傳感器，通過傳感接口與補償器進行連接，對機床的溫度進行檢測，從而更好的預測機床存在的誤差。在補償器上還需要連接位移傳感器，用來檢測補償后的機床主軸熱偏移。將筆記本電腦的串口與補償器的串口進行連接，通過上位機程序進行調試。補償器還需要同數控系統進行連接，對外部的輸出線進行簡化，預留一根觸發信號線，可以控制最大輸出的偏移量。

2.3 補償的實施效果分析

通過上述測量可以得到定位誤差，然后對定位誤差和主軸的熱誤差進行建模，通過誤差補償裝置進行綜合性補償。在進行補償之前需要對機床的運動軸進行測量，其次還需要測量補償裝置輸出值的對應特性，下圖為定位誤差補償的相應輸出值。

激光測量儀對數控機床誤差的補償，對于橫軸的定位誤差而言，在沒有補償的情況下出現的定位誤差為8μm，補償之后定位誤差下降了6μm，而Z軸的定位誤差在補償之后下降了18μm。對溫度的影響不進行考慮，在補償過程中需要以第一次測量的位移最大值進行補償，事實上在不考慮溫度變化的情況下對數控機床的誤差進行補償仍然存在一定程度的誤差數據，不能達到完全補償的目的，所以考慮溫度的變化可以進一步提高定位誤差補償的效果。同定位誤差相同，對熱誤差進行補償之后測量得到的徑向誤差在原來的基礎上減少了75％。

總之，通過對數控機床的誤差進行補償使得其定位誤差和主軸的熱誤差得到了一定程度的改善，從而得到數控機床的誤差補償技術在提高機床精度過程中具有較高的實用價值。

3 結束語

現有的數控機床在空間定位的誤差補償過程中，人們往往會忽略對溫度的考慮，從而導致補償的精度不夠準確，本文通過快速測量和補償的方式確定了空間定位誤差和溫度之間的正相關關系，所以在不同溫度情況下需要對空間定位的誤差進行有效預測，保證空間定位誤差補償和溫度變化不再分離，為補償不同更高的精確度。在常用的數控機床誤差補償中，管理人員往往缺乏靈活性補償方法，針對數控系統的外部便宜系統進行研究，可以通過軟件和硬件的綜合設計，為誤差補償提供新的有效的實施方法，從而解決機床在工作中由于誤差的出現而引發的高成本問題。

[1]劉建軍.多軸數控機床幾何誤差辨識與補償技術研究[D].西南交通大學,2012.

[2]張毅.數控機床誤差測量、建模及網絡群控實時補償系統研究[D].上海交通大學,2013.

[3]李歡玲.基于多體理論的數控機床幾何誤差補償技術的研究[D].南京航空航天大學,2009.

[4]李耀明,沈興全,孟慶義等.基于BP神經網絡的數控機床誤差辨識方法研究[J].中北大學學報（自然科學版）,2009,30（06）：574-578.