探析數控加工中的誤差及補償方法

馮志宏

（甘肅省西峰職業中等專業學校，甘肅 慶陽 745002）

1 引言

數控機床是制造價值創造的基礎，是基礎制造能力的核心。數控機床的水平在一定程度上反映了制造水平。高精度的誤差補償是先進數控機床的主要發展方向。如何提高數控機床的精度：一是在應用良好的溫度和振動控制的同時減小誤差，消除或減少設計和制造過程中可能產生誤差的原因，提高數控機床的機械精度和動態性能，控制機床內外環境的措施、氣流湍流等方法來減少誤差原因的影響。二是通過軟件工程和人為制造錯誤消除數控機床故障的糾錯方法。相對而言，數控機床精度的提高會遇到很多困難，其中包括改進空間的限制、高昂的成本、不斷改變的加工條件、機器故障等。因此要想提高數控機床的精度，需要進一步研究數控機床的誤差補償技術。

2 數控機床加工中的誤差分類

2.1 機床誤差概念

在實際環境中，生產加工過程中出現的數控機床故障種類很多，分別是幾何誤差、加工誤差、熱（變形）誤差、位置/定位誤差、力（變形）誤差、控制誤差以及運動誤差等，這些誤差概念含義如下所述：

（1）數控機床的幾何誤差。數控機床加工的實際環境是按照國際標準給出的，通常是20℃的恒溫。在上述條件和標準大氣壓下，數控機床在真實狀態下的位置和參數應該是正確的，但是由于數控機床設計的不合理性、不可靠性等缺陷，數控機床的幾何誤差會偏離理想狀態。

（2）熱誤差（應變）。在加工過程中，數控機床受環境的影響，本身的電機、摩擦以及加工過程中刀具和工件使機床變形，使數控機床零件脫離原來的位置，熱誤差可以被認為是準靜態誤差。

（3）力誤差（應變）。數控機床受到自身重量、加工過程中工件的夾緊力、切削力等內外力的作用，導致數控機床發生變形。

（4）加工誤差。在數控機床的實際生產加工條件下，自身的重力、被加工零件的載荷、實際加工條件的熱分布不均勻等因素導致機床的實際加工路徑偏離理想的加工軌跡，造成尺寸、形狀和位置的誤差。

（5）控制誤差。由于機床數控系統控制不正確導致的錯誤。主要包括數控插補、測量傳感器、伺服執行器等控制環節。

（6）位置/位置誤差。隨著數控機床從一點移動到另一點，理想和實際條件之間會出現的偏差。

（7）運動誤差。在實際加工中，數控機床運動軸和旋轉軸的軌道位置與理想狀態下各活動部件的軌道位置不同。

2.2 數控機床誤差分類

2.2.1 根據誤差的條件

（1）靜態誤差。在實際工作環境中，造成數控機床誤差的原因有很多，而在生產過程中，有些誤差是不隨時間變化的，數控機床的合理設計決定了誤差，準確度和誤差不會隨著時間而改變。例如，數控機床本身缺陷引起的幾何誤差和自重引起的重力誤差取決于數控機床的材料。

（2）準靜態誤差。在數控機床加工制造的情況下，機床實際工作環境中會出現誤差。在給定的工作環境中，準靜態誤差可以非常緩慢地變化并在這些條件下保持不變。例如，數控機床在一定條件下的工作狀態引起的準靜態誤差不會發生本質變化或變化緩慢。又如，數控機床在加工過程中受到內外條件和機床熱誤差（應變）的影響等。

（3）動態誤差。在實際生產加工過程中，數控機床的誤差是由機床在不同時間的不同加工條件引起的。在這種情況下，數控機床產生的各種誤差的誤差特征就特別復雜多變，對數控機床加工產生的工件局部特征也有一定的影響。

2.2.2 按誤差產生來源

（1）位置誤差。在數控機床各種零部件的生產運動過程中，實際運動軌跡和位置與理想條件下的零件運動位置和軌跡不同，期望運動的軌跡和位置也不同于指令。幾何誤差和熱誤差與位置有關，屬于位置誤差。

（2）非位置誤差。由于數控機床不同零件和零件在生產運動過程中受外界因素的影響，實際運動軌跡和位置與理想條件下數控機床運動位置的軌跡不同，熱誤差、力誤差、刀具磨損誤差都是非位置誤差。

3 數控機床加工誤差補償技術

3.1 數控機床的誤差建模技術

數控機床誤差建模是數控機床誤差分析與修正技術之一。在實際操作中，該技術主要應用于誤差綜合建模分析技術和誤差分析技術。它是數控機床誤差建模技術的重要組成部分。同樣，在工作過程中，工件和刀具之間也經常存在位移差。在誤差建模技術的應用狀態下，誤差建模控制技術可以精確測量，也可以測量上述位移，因此捕捉原始誤差的技術實現綜合技術，可以直接有效地反映誤差。 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，成為工業制造領域最具代表性的誤差建模技術。

3.2 數控機床的誤差測量技術

誤差測量技術是測量機器的誤差。可通過不同激光測量儀器的運行，檢測機床在不同位置、不同環境、不同溫度下的誤差值，提高數控機床誤差精度的控制水平。但是，這種測量方法過于耗時，并且在測量過程中造成了大量的資源浪費。因此，該技術通常應用于單項誤差測量過程。簡單誤差測量技術是將測量數據通過指定的指標因素轉化為數據模型后，通過對機床的簡單推理和綜合誤差數據分析來實現誤差測量的技術。這種誤差測量技術在比較優缺點時非常清楚，利用這種測量方法降低數控機床誤差的優點是不復雜，測試結果準確度高，工作周期短。

3.3 數控機床的誤差補償技術

實現誤差補償的技術包括離線補償和實時補償兩種技術。在實時校準中，補償器從相關的硬件輔助設備中采集數據，以達到修正設置數據中錯誤的目的，然后通過數控機床的數據結構和數據模型對輸入的數據進行正確處理，并根據上面提供的數據構建數據結構和數據模型來進行實時偏移。

3.4 數控機床的幾何誤差補償參數法

幾何誤差補償參數法與傳統的激光干涉參數法有關。傳統的激光干涉測量技術是幾何誤差參數法的一個組成部分，可以有效解決數控機床本身的運動問題，有效控制機床中存在的誤差。這大大減少了對減少的誤差進行一一測量所需的時間，大大降低了測量的難度和工作量。現有的激光干涉儀可以有效地分析機床的空間誤差，然后基于該技術，建立基本的數學模型，測量道路的故障要素，對數據模型進行單獨分析，得到復雜的數據誤差，減少測量電路，工作量還可以有效降低綜合測量的誤差因素。

3.5 數控機床的刀具誤差補償技術

數控系統的對刀過程是計算數控系統刀具中心軌跡的過程，在加工過程中，數控系統根據詳細程序中的刀具直徑自動計算刀具中心軌跡。使用偏移寄存器完成零件加工。進行CNC編程時，只需調用刀具補償參數對應的寄存器編號即可進行加工。進行刀具偏置時，采用交點計算方法，讀取每條線段起點前的兩條線段，計算出交點，并自動將偏置矢量路徑添加到每個方向矢量的左側或右側。因此，工件被加工成圖案的輪廓。基本思想是：在描述連續體的模型中引入了錯誤參數條目，可以表示安裝錯誤、裝配錯誤、導桿非方形、非平行、錯位等。顯示數控機床的誤差條件。接下來，可以推導出每個運動部件中任意點的位置誤差表達式的位置，并用方程求解方程。

3.6 CCD在線誤差補償

基于CCD在線檢測技術，將加工與檢測相結合，為數控機床加工質量檢測提供了一套有效的方法。實現了加工過程中的自動測量，大大縮短了測量時間，提高了勞動生產率。誤差補償在正常制造精度條件下提高精度并降低成本，打破加工精度的限制，將機床的整體精度提升到一個新的水平，使得超精密加工可以滿足一些切削步驟先進產品的精密零件的CNC加工要求。

4 結語

綜上所述，隨著我國經濟的快速發展，我國機械制造業水平有了顯著提高。使用數控技術來控制加工的設備種類很多，數控機床就是其中之一，在生產過程、零件和個人上都存在一些誤差，從這個角度來說，大家一定要掌握誤差，靈活運用數控機床補償技術，提高機床精度。目前，雖然數控機床的糾錯技術有了很大的發展，但實時糾錯技術在行業中應用的并不廣泛。尤其在國內，實時誤差補償技術幾乎停留在理論建模和實驗驗證階段，國內機床制造商從未見過機床的大規模使用。一是錯誤非常復雜且多變，誤差產生是一個具有非線性分布和時滯特性的動態過程。二是誤差補償技術，包括數字控制技術、傳感技術、信號處理技術、微電子技術和控制技術，這種跨學科技術的互動仍然有很多問題需要解決。