數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償方法研究

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1、數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償方法研究柯明利，梁永回，劉煥牢摘要：對(duì)數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因作了比較詳細(xì)的分析，將系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法進(jìn)行了歸納，并在此基礎(chǔ)上闡述了各類(lèi)誤差補(bǔ)償方法的應(yīng)用場(chǎng)合，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級(jí)打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；幾何誤差；誤差補(bǔ)償前言提高機(jī)床精度有兩種方法。一種是通過(guò)提高零件設(shè)計(jì)、制造和裝配的水平來(lái)消除可能的誤差源，稱(chēng)為誤差防止法(errorprevention)。該方法一方面主要受到加工母機(jī)精度的制約，另一方面零件質(zhì)量的提高導(dǎo)致加工成本膨脹，致使該方法的使用受到一定限制。另一

2、種叫誤差補(bǔ)償法(errorpensation)，通常通過(guò)修改機(jī)床的加工指令，對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級(jí)。研究表明，幾何誤差和由溫度引起的誤差約占機(jī)床總體誤差的70%，其中幾何誤差相對(duì)穩(wěn)定，易于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。對(duì)數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償，可以提高整個(gè)機(jī)械工業(yè)的加工水平，對(duì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高我國(guó)國(guó)防能力，繼而極大增強(qiáng)我國(guó)的綜合國(guó)力都具有重大意義。1幾何誤差產(chǎn)生的原因普遍認(rèn)為數(shù)控機(jī)床的幾何誤差由以下幾方面原因引起：1.1機(jī)床的原始制造誤差是指由組成機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀、表

3、面質(zhì)量、相互之間的位置誤差所引起的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差，是數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的主要原因。1.2機(jī)床的控制系統(tǒng)誤差包括機(jī)床軸系的伺服誤差（輪廓跟隨誤差），數(shù)控插補(bǔ)算法誤差。1.3熱變形誤差由于機(jī)床的內(nèi)部熱源和環(huán)境熱擾動(dòng)導(dǎo)致機(jī)床的結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差。1.4切削負(fù)荷造成工藝系統(tǒng)變形所導(dǎo)致的誤差包括機(jī)床、刀具、工件和夾具變形所導(dǎo)致的誤差。這種誤差又稱(chēng)為“讓刀”，它造成加工零件的形狀畸變，尤其當(dāng)加工薄壁工件或使用細(xì)長(zhǎng)刀具時(shí)，這一誤差更為嚴(yán)重。1.5機(jī)床的振動(dòng)誤差在切削加工時(shí)，數(shù)控機(jī)床由于工藝的柔性和工序的多變，其運(yùn)行狀

4、態(tài)有更大的可能性落入不穩(wěn)定區(qū)域，從而激起強(qiáng)烈的顫振。導(dǎo)致加工工件的表面質(zhì)量惡化和幾何形狀誤差。1.6檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差包括以下幾個(gè)方面：（1）由于測(cè)量傳感器的制造誤差及其在機(jī)床上的安裝誤差引起的測(cè)量傳感器反饋系統(tǒng)本身的誤差；（2）由于機(jī)床零件和機(jī)構(gòu)誤差以及在使用中的變形導(dǎo)致測(cè)量傳感器出現(xiàn)的誤差。1.7外界干擾誤差由于環(huán)境和運(yùn)行工況的變化所引起的隨機(jī)誤差。1.8其它誤差如編程和操作錯(cuò)誤帶來(lái)的誤差。上面的誤差可按照誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)，歸為兩大類(lèi)：即系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)誤差是機(jī)床本身固有的誤差，具有可

5、重復(fù)性。數(shù)控機(jī)床的幾何誤差是其主要組成部分，也具有可重復(fù)性。利用該特性，可對(duì)其進(jìn)行“離線測(cè)量”，可采用“離線檢測(cè)——開(kāi)環(huán)補(bǔ)償”的技術(shù)來(lái)加以修正和補(bǔ)償，使其減小，達(dá)到機(jī)床精度強(qiáng)化的目的。隨機(jī)誤差具有隨機(jī)性，必須采用“在線檢測(cè)——閉環(huán)補(bǔ)償”的方法來(lái)消除隨機(jī)誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響，該方法對(duì)測(cè)量?jī)x器、測(cè)量環(huán)境要求嚴(yán)格，難于推廣。2幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)針對(duì)誤差的不同類(lèi)型，實(shí)施誤差補(bǔ)償可分為兩大類(lèi)。隨機(jī)誤差補(bǔ)償要求“在線測(cè)量”，把誤差檢測(cè)裝置直接安裝在機(jī)床上，在機(jī)床工作的同時(shí)，實(shí)時(shí)地測(cè)出相應(yīng)位置的誤差值，用此誤差值實(shí)時(shí)的

6、對(duì)加工指令進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差補(bǔ)償對(duì)機(jī)床的誤差性質(zhì)沒(méi)有要求，能夠同時(shí)對(duì)機(jī)床的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。但需要一整套完整的高精度測(cè)量裝置和其它相關(guān)的設(shè)備，成本太高，經(jīng)濟(jì)效益不好。文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了溫度的在線測(cè)量和補(bǔ)償，未能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是用相應(yīng)的儀器預(yù)先對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，即通過(guò)“離線測(cè)量”得到機(jī)床工作空間指令位置的誤差值，把它們作為機(jī)床坐標(biāo)的函數(shù)。機(jī)床工作時(shí)，根據(jù)加工點(diǎn)的坐標(biāo)，調(diào)出相應(yīng)的誤差值以進(jìn)行修正。要求機(jī)床的穩(wěn)定性要好，保證機(jī)床誤差的確定性，以便于修正，經(jīng)補(bǔ)償后的機(jī)床精度取決于機(jī)床的重復(fù)性和環(huán)境

7、條件變化。數(shù)控機(jī)床在正常情況下，重復(fù)精度遠(yuǎn)高于其空間綜合誤差，故系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償可有效的提高機(jī)床的精度，甚至可以提高機(jī)床的精度等級(jí)。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法有很多，可分為以下幾種方法：2.1單項(xiàng)誤差合成補(bǔ)償法這種補(bǔ)償方法是以誤差合成公式為理論依據(jù)，首先通過(guò)直接測(cè)量法測(cè)得機(jī)床的各項(xiàng)單項(xiàng)原始誤差值，由誤差合成公式計(jì)算補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的誤差補(bǔ)償。對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行位置誤差測(cè)量的當(dāng)屬Leete,運(yùn)用三角幾何關(guān)系,推導(dǎo)出了機(jī)床各坐標(biāo)軸誤差的表示方法,沒(méi)有考慮轉(zhuǎn)角的影響。較早進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)是

8、Hocken教授，針對(duì)型號(hào)Moore5-Z(1)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，在16小時(shí)內(nèi)，測(cè)量了工作空間內(nèi)大量的點(diǎn)的誤差，在此過(guò)程中考慮了溫度的影響，并用最小二乘法對(duì)誤差模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)的位置信號(hào)直接從激光干涉儀獲得，考慮了角度和直線度誤差的影響，獲得比較滿意的結(jié)果。1985年G.Zhang成功的對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了誤差補(bǔ)償。測(cè)量了工作臺(tái)平面度誤差，除在工作臺(tái)邊緣數(shù)值稍大，其它不超過(guò)1μm，驗(yàn)證了剛體假設(shè)的可