數控機床誤差補償研究的回顧及展望

王軍

【摘 要】在工業制造過程中經常會應用到數控機床誤差補償技術，然而機床在本身的制造、裝配過程中出現缺陷造成的集合誤差、機床溫度變化引起熱變形而造成的熱誤差以及機床切割中引起變形而造成的誤差等是影響機床加工的關鍵因素，總結起來就是幾何誤差、熱誤差以及切削力誤差。這三種誤差在工程制造過程中占據了80%的誤差比重。我國是制造業發達的大國，誤差補償技術的應用對提高我國制造業水平有著非常重要的意義和價值。

【Abstract】The error compensation for CNC machine tools is often applied in the industrial manufacturing process. The assembly error caused by the defect of the machine in the manufacture and assembly process， thermal error caused by thermal deformation of machine tool temperature， the error caused by the deformation of the machine tool are the key factors that affect the machine tool processing. These factors can be summarized as geometric error， thermal error and cutting force error， and they are 80% of total errors in the process of manufacturing. China is a big country of manufacturing industry. The application of error compensation technology is of great significance and value to improve the level of the manufacturing industry in China.

【關鍵詞】數控機床；應用；誤差補償技術

【Keywords】CNC machine tools； application； error compensation technology

【中圖分類號】TG659 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0174-02

1 引言

隨著工業制造行業在我國快速發展，機械制造的智能化、高質量、高精度要求已經是我國制造行業關注的重中之重。在工業制造行業當中最受人們關注的就是數控機床的誤差補償，其極大地促進了制造工業的發展進程。在我國工業生產過程中精密加工技術的普遍應用，使得數控機床的精密加工以及檢測技術在日常工作中的要求越來越高。然而數控機床誤差的影響因素眾多，其中動態誤差受到了機床動態特性的影響，機床各零部件綜合決定了動態機床的性能，直接影響到機床動態誤差的大小。

2 數控機床的歷史與現狀

機床誤差熱變形現象最早在瑞士被人們發現并研究，通過對坐標鏜床的測量分析后發現影響到機場熱變形的主要因素就是機床的熱變形[1]。從此之后人們便開始了機床誤差的檢測、建模以及補償技術的研究。1996年在美國密西根大學，人們在一家離合器制造廠的150多臺車削中心上成功地應用了熱誤差補償技術，使得機床加工精度提高了一倍以上。我國對于機床的熱變形以及誤差補償技術的研究，從20世紀50年代起到20世紀70年代末，先后在不少高校以及研究院展開相關的機床熱變形誤差補償技術的研究，在國內外有關人員的不懈努力之下，數控機床的誤差補償技術有了快速發展。然而就目前來看，國外的數控機床誤差補償技術還沒有大量的在工業當中應用，國內誤差實施補償技術大多還在實驗室研究范圍內，市面上還沒有見到有關數控機床的誤差補償技術報道，這說明在數控機床的誤差補償技術上還有很大的開發余地。

3 數控機床誤差補償的基礎技術

3.1 數控機床的誤差建模技術

數控機床的誤差建模是數控機床誤差分析補償的技術之一，在實際操作過程中該技術主要應用到誤差的綜合建模分析技術以及誤差分析技術，是數控機床誤差建模技術當中重要的組成部分。同樣的，在操作過程中弓箭與工具刀之間還經常會出現位移差的現象，在誤差建模技術的運用狀態下，可以精準地測量出誤差建模控制技術以及表示上述位移，從而實現全面把握元素誤差的技術，將誤差直接有效地反映出來，因此誤差建模技術在當前的研究過程中得到了廣泛的應用，甚至成為工業制造領域最有代表性的誤差建模技術。

3.2 數控機床的誤差測量技術

誤差測量技術是對機械的誤差進行測量，其能夠通過不同激光測量儀的運行，檢測出機床不同位置、不同環境以及不同溫度下的誤差數值，從而來提高數控機床誤差精度的控制水平。然而這種測量方法消耗時間過長，在測量過程中會出現嚴重的資源浪費，因此該技術通常都是應用在單一項目的誤差測量過程中。簡潔誤差的測量技術主要是通過制定的指標因素，將測量的數據轉化成為數據模型，然后通過簡潔的推斷和全面的機床誤差數據分析來實現誤差測量。這種測量誤差的技術在優劣比較上非常明顯，而利用這種測量方法來減少數控機床的誤差并不復雜，并且有著檢驗結果準確度高以及操作周期短的優勢。

3.3 數控機床的誤差補償技術

誤差的補償實施技術由兩種技術構成，分別是離線補償以及實時補償[2]。在實時補償中，補償設備會將相關硬件輔助裝置的數據資料進行收集，從而實現補償設置數據誤差的目的，再通過數控機床的數據結構以及數據模型來準確地處理輸入補償裝置中輸入的數據，并對數據結構以及數據模型進行構建，從而根據以上提供的數據實現實時補償。

3.4 數控機床的幾何誤差參數法

在幾何誤差參數法中涉及到傳統激光干涉參數法，傳統的激光干涉測量技術是幾何誤差參數法的構成部分，能夠有效地解決數控機床本身的運動問題，有效地控制數控機床中存在的誤差，從而大大壓縮逐個測量誤差所耗費的時間，測量的操作難度以及操作量也大大減少。

傳統的激光干涉儀能夠對機床的空間誤差進行有效分析，然后在這個技術的基礎上構建數學基礎模型，測量線上誤差元素，分析得到的相應數據模型來獲得集合數據誤差，從而大幅度降低測量線路的工作量，也能有效地降低綜合測量的誤差元素。

3.5 多自由度激光干涉幾何誤差測量方法

通過分析九線法來分辨集合誤差之中存在的問題，能夠測量多方面的自由度。在測量過程中利用原有的激光干涉儀能夠一次性的測量多個自由度，也能夠同時測量到立體空間X、Y、Z三個方向，分析線的六個方向，在幾個小時之內便能夠完成測量工作量，大大地縮減了測量時間。

4 機床誤差補償技術的缺陷以及解決方法

①CCD 攝像裝置與圖像系統采集。CCD攝像裝置是由多個感光像元的離散元素構成，能夠通過掃描的方式來獲取二維碼。CCD攝像裝置能夠影響測量精度以及測量系統的關鍵部件，在選用過程中要充分地考慮測量范圍以及測量的精度要求。攝像后的圖像要錄入圖像采集卡，將視頻信號轉換成數字信號之后再傳輸給計算機運算系統。

②攝像裝置將圖片輸入計算機之后將會對各種測點圖像進行可靠性識別，在這個過程中會刪除無效的圖片，然后再對圖像進行有效區域的選取和特征取證，最后得出集合參數。在數據庫中取出相對應測點的標準數據與計算機圖像分析數據進行對比，從而計算出工件在加工后不同測點的動態誤差。

③優化測點的路徑選擇。在加工工件的檢測過程中，測點的選取越多則被檢測的曲面加工精度表現越詳細。然而曲面的測點若是布設得過多，將會導致測點監測的效率以及機床的使用率大大降低，所以說去面測點的模塊生成主要是針對類似自由曲面的零件進行測點分布規劃。

5 結語

通過本文探討研究可知，通過數控機床誤差補償技術的提升，機床精度得到了很好的控制，經濟效應也得到了增強，這一技術在我國的經濟發展中發揮著巨大的作用。當前數控機床誤差補償技術在我國的應用過程中還存在著不小的障礙，工作人員應當充分關注該技術的后續發展，在數控機床誤差補償項目研究過程中，把握好關鍵技術，推動控制準確性的提升，以促進誤差補償分析技術水平的提升，采取實際有效的措施方法來解決我國制造業發展過程中遇到的問題。

【參考文獻】

【1】楊建國，姚曉棟. 數控機床誤差補償技術現狀與展望[J]. 世界制造技術與裝備市場，2012（03）：64-71+95.

【2】鄧春麗. 研究數控機床誤差補償關鍵技術及其應用[J]. 科技展望，2016（12）：87.