數控機床誤差綜合補償技術及其運用措施

錢奇峰，傅楊程，王 浙

（永成集團有限公司，浙江 諸暨 311800）

自數控機床開始應用以來，人們就開始關注其生產過程中的誤差。在技術的推動下，數控機床技術的加工精度不斷提升，這對于推動我國工業的發展具有重要意義。但熱變形誤差和幾何誤差的存在也在很大程度上限制了數控機床加工產品的應用范圍，尤其是高精尖的領域對于零件的加工精度有著較為嚴苛的要求，這對數控機床加工工作而言無疑是一種挑戰。因此需要以數控機床誤差的實際情況為基礎，通過不斷創新補償技術，提升應用水平，才能改善我國的產品加工質量，讓機械制造業更好地為其他領域服務。

1 數控機床誤差概述

1.1 數控機床產生誤差的原因分析

通過對當前數控機床加工模式的研究可以發現，影響誤差的因素主要表現在以下幾個方面：

第一，數控機床設備的空間位置誤差。由于外力、受熱等因素的影響，數控機床的刀具在工件部位會產生一定程度的偏差。另外，數控機床的伺服系統在工作過程中，由于跟蹤處理、傳動結構以及位置檢測等流程的影響，也會發生一定程度的位置變化，從而導致加工誤差的存在。

第二，由于數控機床加工過程中需要根據工藝的具體需要調整刀具。在刀具使用過程中，由于摩擦生熱以及外部因素的影響，刀具變形、伸長以及磨損問題也經常出現，這些因素都會導致加工誤差的出現[1]。

第三，加工件材質以及夾具變形造成的位置誤差。在利用數控機床加工工件時，由于加工材料存在差異，因此切削熱對材料的影響程度也有不同，裝夾系統也會由于切削熱和工件的材質等問題發生不同程度的變形，從而形成隨機誤差。

第四，機床檢測過程中形成的測量誤差。在數控機床加工的過程中，有時需要進行尺寸檢測，在檢測過程中由于測量工作本身存在誤差，也會導致零部件出現誤差，這也是具體加工作業過程中需要關注的重要方面。

1.2 誤差補償技術類型分析

在數控機床的加工過程中，主要利用數控程序控制伺服系統進行運轉，并按照步驟完成加工過程。數控加工的優勢是自動化程度高、加工品質統一、加工效率高，但與人工操作機床加工相比，也存在不能隨時檢測加工量、加工的主觀能動性不足等問題。就目前而言，數控機床誤差補償技術主要包括實施補償法、靜態補償法以及綜合動態補償法三種形式。三種補償方式各有優缺點，在具體應用時需要結合工程實際進行選擇。

其中，靜態補償法處理方式操作相對容易，但靈活性不高；實施補償法處理方式相對于靜態補償法更加靈活，有效減少誤差的影響。但這種調整補償也有一定的局限性，具體而言，實施補償法不能對雙軸和三軸聯動的機床進行調整，因此其補償的功能只能局限在一定的范圍內。綜合補償法作為一種數控機床加工處理的新方法，能夠提升補償處理的針對性，從而有效降低誤差對工藝生產的影響[2]。

2 數控機床誤差綜合補償技術

在數控機床加工過程中利用誤差控制系統可提升產品的加工質量。另外，將先進技術與智能控制系統結合起來，能夠進一步提升數控機床的控制水平和工作效率，推動我國機械制造業的進一步發展。

2.1 誤差模擬及控制技術

數控機床設備加工時，利用誤差模擬技術檢測被加工零部件存在的變形情況，并對其進行相應的檢測與評估，對機床加工生產的流程進行分析。在科研人員的不懈努力下，國內數控機床加工精度不斷提升，大幅度增加零部件加工精度，提高國內產品在市場上的競爭力。

數控機床誤差補償技術通過測量與計算各零部件的誤差，具體包括零件出廠差異以及加工過程中的熱變形情況、承重變形情況。技術人員通過分析與比對差異數據，利用補償公式計算。通過研究和實踐可以發現，數控機床誤差模擬技術在實踐中優勢顯著，但這種補償方式的通用性不強，一旦遇到參數多變的生產環境，這種技術的應用準確性不高，因此其應用具有一定的局限性[3]。

2.2 準確測量機床加工誤差

數控機床加工時，零部件外形誤差是不可避免的，通常選擇誤差測量法與綜合測量辨識測量法進行。前者測量技術使用時，需要借助精密誤差測量設備的優勢，完成對數控機床各項零件設備的測量工作。如，測量3D 數控機床誤差項時，測量重點誤差內容時選擇雙頻激光器，其他部位測量則選擇電子水平儀即可。

以上兩種設備的精度較高，因此能夠提升測量工作的準確性。誤差綜合測量辨識法，掃描測量數控機床的特定位置，將所得數據轉為數字模型，通過對比數字模型數據與原始參數，鎖定誤差數值。在應用這種方式開展誤差測量工作時，相對準確，并且設備的投入較少，因此在數控機床測量工作中具有非常廣泛的應用。

2.3 加工誤差補償方法

數控機床加工時誤差補償方法種類較多，主要可分成三類：其一，NC 系統補償法；其二，前饋補償法；其三，反饋補償法。NC 系統補償法會影響到數控機床使用，具體零部件加工時，通過NC 系統操作完成相關指令。這種方法通過脈沖測量誤差，之后將測量數據與初始數據進行對比分析，計算機系統在接收到數據之后會立刻展開分析，然后使用反饋補償法對誤差進行處理，采用這種方式能夠保證誤差補償的準確度。

另外，使用這種轉換數碼程序的方式進行誤差補償，效果相對比較明顯。前饋補償法對伺服電機進行調整，從而完成誤差的補償處理。這種方法在具體的應用過程中，從而確保設備的平穩運行；反饋補償法，利用計算機處理所得的誤差數據，利用這種方式補償誤差。在應用反饋補償法時，應用號光柵技術設備進行處理，保證處理效果。

3 綜合補償技術在數控機床中的應用

3.1 多體系統數控機床誤差補償技術

多體系統數控機床的零件較多，組織結構復雜，因此影響最終誤差的因素也相對較多。需要從構成零部件入手，通過深入分析零部件的運作流程，科學選擇誤差補償技術，從而有效減少機床誤差對零件加工的影響[4]。

隨著信息技術的飛速發展，機械數控加工技術迎來了一個全新的發展局面，可以借助機械數控編程系統對產品需求進行提前設置，對整個數控系統的工作模式進行調整，在實現智能化發展的基礎上，針對編程技術進行不斷發展創新，使得機械加工效率不斷推進，結合具體的產品生產需求，借助智能化編程技術的應用，可以針對整個圖紙設計進行完善。在此，只需要建立明確的加工目標，配合編程人員的編程技術，降低人為因素的不利影響。此外，編程人員在實際工作中一定要堅持與時俱進，不斷創新的原則，借助信息技術的輔助，不斷提升對編程技術的應用，針對智能化加工系統的缺陷進行不斷改進和完善，結合現有國內外優秀機械設備加工理念。

3.2 熱變形誤差的控制

數控機床使用過程中熱變形問題較為常見，這也是出現絲杠變形的主要因素之一。要想解決這一問題，需要根據實際情況采取補償措施。具體可以采取以下措施：其一，制冷系統的改進。提升絲杠系統的耐熱性，從而有效避免受熱導致的形變問題，提高數控機床的加工精度。其二，針對目前數控機床的系統，半閉環伺服系統可以利用激光補償的方式確保系統的穩定運行。

就當前而言，我國相對于發達國家，在數控機床加工流程上還存在一定的差距。對此在具體加工過程中，需要做好機床零件質量的把控，充分利用現代技術和理念做好創新工作。在具體操作過程中還需要結合實際情況選擇相應的誤差補償措施，利用先進設備做好誤差的測量、計算以及分析工作，有效減少零件誤差對機床加工的影響，助力我國機械制造業的進一步發展[5]。

3.3 做好刀具研磨與優化

數控加工過程中會產生大量切削熱，加工運行時刀具與各類材料接觸面積不斷增加，造成切削阻力與摩擦力逐漸增加，在諸多力作用下產生切削熱。隨著刀具磨損程度增加使得切削熱產生量增加，影響到加工質量，使得斷刀概率增加，降低設備使用效率。

刀具研磨的作用是為了去除刀具使用過程中產生的磨損和缺陷，以此保證刀具在數控加工活動中的正常使用以及數控器械的正常運行，確保加工效率。正常情況下，隨著切削刀具使用時間和次數的不斷提升，其磨損情況也會與日俱增，進而將切削力量抵消，出現發熱、機械振動頻率增大等現象，而且隨著刀具磨損的發生，會對加工質量和效率產生嚴重影響。另外，隨著磨損加劇，會導致刀具位置和孔壁質量等發生變化，不僅影響正常使用，縮短刀具壽命等，還會增加刀具斷裂的風險，對加機械加工人員生命安全造成威脅。因此，在開展數控加工活動時，針對切削刀具一定要定期進行科學研磨，去除其磨損層，針對刀具鋒利度進行全面強化。但要注意，在進行研磨時，還要關注研磨次數和頻率，因為過多的次數和頻率會導致道具厚度迅速減小，影響使用壽命[6]。

3.4 做好數控機床保養

數控機床設備的故障發生會擾亂制造生產企業原有的生產計劃，嚴重時還會造成企業的經濟損失。為了減少數控機床設備的故障發生率，應加強數控機床設備的保養。目前，數控機床設備的保養模式主要包括用后保養模式、預防保養模式及預測保養模式等。

3.4.1 用后保養模式

建立并完善數控機床設備數量及型號的基本資料，主要包括設備名稱、產地、型號、數量、使用年限、保存位置及購入價格、時間等資料。根據統計結果，實現不同數控機床設備的管理與定期維護，做到有據可依。在進行數控機床設備維修與保養過程中，認真記錄保養信息，減少由于數控機床數量、型號等較多帶來一定的維修保養難題。數控機床用后保養模式就是在數控機床設備故障發生后進行保養，可以在較短的時間內完成數控機床設備的保養，可以降低數控機床的故障發生率，避免數控機床設備后期發生較大故障后影響生產的正常進行，避免造成企業的經濟損失。

3.4.2 預防保養模式

數控機床預防保養模式主要是定期(周保養、月保養、季保養、年保養等)進行數控機床設備的保養與維護，對數控機床進行定期檢查與測試。根據測試過程中發現的問題及時進行維修與調整，可以預防數控機床設備的故障發生，降低日常數控機床保養投入成本。數控機床設備的精準保養及維護過程是一個涉及多個部門聯合實施的管理過程，從管理人員到操作人員，最后到保養維修技術人員都是數控機床精準保養的主體部分，因此，未來應該加強控機床精準保養人員配置，實現數控機床精準保養與維修技術效率的最大化。

3.4.3 預測保養模式

數控機床預測保養模式是近期發展的一種設備保養模式之一，主要是對數控機床日常運行情況進行監測與診斷，在必要時進行數控機床的保養與維護，提高設備保養效率，時刻維持設備的良好運行狀態。

3.5 數控機床空間誤差補償

利用軟件技術結合誤差檢測結果進行空間誤差補償已經經歷了多年的研究和應用，技術理論的早期研發者為法蘭克公司（FANUC）和西門子公司（SIEMENS），主要是利用誤差檢測的數據開展資料分析，并利用分析結果控制機床進行刀具位置的調整，再利用誤差檢測技術進行刀具位置調整后的驗證。在傳統的數控車削加工過程中，主要采用直接修改程序代碼的方式進行修正，這種方法簡單便捷，但是對生產過程中出現的新的誤差問題適應能力不足，基于這一問題，現階段的數控機床誤差補償多采用以下兩種適應性更好的新技術。

（1）原點平移誤差補償是一種實時補償誤差的新技術，其特征是在完成誤差補償的同時不改變源程序代碼，只通過分析誤差因素對系統的原點位置進行調整，使原點向誤差的反方向平移，達到修正的目的，具有簡單、對控制過程干擾小、效果顯著的特點。（2）反饋截斷式誤差補償是利用編碼器的反饋信號增加或減少反饋脈沖實現誤差補償，利用機床綜合誤差相等的脈沖信號與編碼器反饋信號進行相加或相減，實現快速修改反饋信號，從而實時調節機床運動軸的位置，該技術應用過程相對復雜。

4 結語

綜上所述，數控機床在我國的機械加工制造行業中具有非常重要的應用價值，為進一步提升零部件的加工質量，需要合理使用誤差補償技術，還要重視現代計算機技術和先進設備的應用。同時，要盡可能不改動原有數控機床設備，最大程度降低誤差，進一步提高數控機床設備加工精度。