加工中心誤差補償技術方案的研究

摘要：

本文通過分析國內外數控機床誤差補償存在的現狀，從軟件的誤差補償、幾何及運動的誤差補償、在線檢測誤差補償技術三個方面分析誤差補償。通過三個方面的分析和了解，進一步探究誤差補償的方法和內容。

引言：瑞士是最早發現機床熱變形并開展研究的國家之一。通過對坐標鏜床進行的測量分析，瑞士發現影響定位精度的主要因素是機床熱變形。由此開始研究機床誤差的檢測、建模和補償技術。目前世界大學中，美國的密西根大學、日本東京大學、德國柏林工業大學、日立精機對于這項技術都是比較有影響力的。我國在20世紀50年代開始對誤差補償技術進行研究，直到70年代末，不少研究單位和高校才先后開展此項研究。縱觀國內外，數控機床的補償技術在有關人員的不懈努力下有了較快的發展。但從目前來看，在國外，數控機床誤差補償技術并未在工業中大批量應用。在國內，誤差補償技術也僅僅停留在實驗室范圍之內。因此誤差補償技術和理論還有很大的發展余地。

1.軟件誤差補償

研究計算機誤差補償技術，以提高機床的精度和效率是軟件誤差補償的重點。軟件誤差補償具有不需改變加工設備即可提高加工精度的特點。其方法主要是將辨識后的誤差參數送進模型中，從而計算出相應的補償量。此種方法因其易于操作、通用性強，適用于開放式的系統中，并可將誤差補償作為一個模塊在CAD/CAM過程中集成。

軟件補償的過程：首先，將從參數辨識實驗中得到的數據，使用加工中心測量數據分析軟件模塊進行處理、分析。然后在誤差參數辨識理論的基礎上用誤差辨識軟件模塊對上述處理后的數據進行辨識處理，辨識出誤差模型中所需要的誤差參數。將誤差辨識軟件模塊處理后的離散的沒有規律的點，利用數據擬合軟件模塊進行數學擬合，找到其規律趨勢。再通過誤差計算軟件模塊進行模型的計算及簡化，計算出誤差補償的量。最后，對經過CAD/CAM集成后生成的NC數據利用加工程序補償軟件模塊進行修正，最終得到加入誤差補償量的加工補償程序，至此整個誤差補償過程全部結束。

軟件誤差補償方法通過修正Nc數據來實現誤差補償。此種誤差補償方法易于操作、通用性強，特別適合開放式系統。并且誤差補償可以作為一個單獨的模塊集成于CAD/CAM中。

2.幾何及運動誤差補償

機床的幾何誤差一般來自機床的制造缺陷，它包括由于不精確使用零部件造成的誤差及部件間由于裝配過程中所產生的配合誤差，以上是構成機床不精確的主要誤差源之一。幾何誤差的特點可能呈現出連續性，也可能表現出隨機性和滯后性。運動誤差一般指的是需要協調按照某一事先設定的運動學關系進行相對運動的機床的部件間的相對運動的誤差。運動誤差在多軸協調工作時就顯得特別明顯。例如在仿形銑和滾削中，線性運動和旋轉軸或線性運動軸和線性運動軸之間的協調一致就顯得特別重要。機床的幾何誤差和運動誤差是緊密相關的，構成機床不精確的基本要素就是幾何及運動誤差，主要的幾何及運動誤差有：軸位置誤差；軸直線度；軸滾轉、俯仰偏擺誤差；軸輪廓誤差；軸間垂直度。

其中幾何誤差補償采用的控制系統是由微機、接口板、傳感器和CNC控制器組成。首先利用激光干涉儀測得聯動系統中的相關部件的幾何誤差，再用HTM建立機床的幾何誤差模型并且將模型輸入到微機中，將位置傳感器獲得的機床托板運動位置信號也通過A/D板輸入到微機中，最后利用幾何誤差模型計算幾何誤差值，并且把該補償值輸入到CNC控制器，由CNC控制器對刀具完成補償控制。使用適當的幾何及運動誤差補償策略，可以有效提高機床的加工精度。

3.在線檢測誤差補償技術

數控加工中心在線檢測系統是由數控機床、計算機、測頭系統組成。測頭安裝在機床刀庫中，類似普通刀具一樣，可以自動調出并且安裝在機床主軸上，程序控制測頭進行自動測量，并將結果反饋給機床控制系統。數控機床的在線檢測和誤差補償方法是將加工、檢測、誤差補償結合在一起，實現高精度的自動檢測即序前、序中、序后，避免了因多次裝夾而引起的誤差，較大的減少了輔助的時間。在各方面有著重要的意義，例如保證了加工精度和工作狀態、降低了廢品率等等。因此，加工中心的在線檢測誤差補償技術越來越成為人們關注的重要焦點之一。

帶有誤差補償的在線檢測系統增加了儲存功能、編程功能、數據處理功能，可以把加工中心在線檢測出的誤差模型儲存于計算機里，實現高精度的在線檢測，根據檢測具體要求進行誤差補償。檢測誤差數學模型是實現加工中心在線檢測誤差補償的基礎，通過控制軟件模型儲存在計算機內。在系統工作時，通過碰觸工件測頭獲取檢測點的坐標。一般補償矢量為三維，是由于加工中心在線檢測時測頭與工件為點接觸。通過獲取的坐標儲存在計算機中的誤差模型計算出測點各個坐標值的誤差，并修正相應的坐標值。

先進制造系統中實現質量保證的關鍵技術是加工中心在在線檢測軟件誤差補償技術。基于模型的軟件補償方法，能在不改變系統硬件的條件下能以較小的投入實現。

結束語：誤差補償的研究已經經歷了長達幾十年的歷史，目前已經達到了一定的成熟階段。但是以后還會仍然不斷的產生新的問題，尤其在我國數控機床大規模的實際應用中，還有待于我們有更多的相關研究人員去進一步的研究。以既有效又經濟的技術手段提高數控加工中心的加工精度，提高我國的加工中心及制造裝備技術水平，將我國的數控加工中心誤差補償技術發展到國際先進乃至領先水平。