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數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償方法研究
趙慶友 2009/4/17
【摘 要】對數(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)上闡述了各類誤差補(bǔ)償方法的應(yīng)用場合，為進(jìn)一步實現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級打下基礎(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。一種是通過提高零件設(shè)計、制造和裝配的水平來消除可能的誤差源，稱為誤差防止法 。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。另一種叫誤差補(bǔ)償法，通常通過修改機(jī)床的加工指令，對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，達(dá)到理想的運動軌跡，實現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級。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%，其中幾何誤差相對穩(wěn)定，易于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。對數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償，可以提高整個機(jī)械工業(yè)的加工水平，對促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高我國國防能力，繼而極大增強(qiáng)我國的綜合國力都具有重大意義。
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、表面質(zhì)量、相互之間的位置誤差所引起的機(jī)床運動誤差，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)長刀具時，這一誤差更為嚴(yán)重。
1.5 機(jī)床的振動誤差
在切削加工時，數(shù)控機(jī)床由于工藝的柔性和工序的多變，其運行狀態(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 檢測系統(tǒng)的測試誤差包括以下幾個方面：
（1）由于測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
如編程和操作錯誤帶來的誤差。
上面的誤差可按照誤差的特點和性質(zhì)，歸為兩大類：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，可對其進(jìn)行“離線測量”，可采用“離線檢測——開環(huán)補(bǔ)償”的技術(shù)來加以修正和補(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——閉環(huán)補(bǔ)償”的方法來消除隨機(jī)誤差對機(jī)床加工精度的影響，該方法對測量儀器、測量環(huán)境要求嚴(yán)格，難于推廣。
2幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)
針對誤差的不同類型，實施誤差補(bǔ)償可分為兩大類。隨機(jī)誤差補(bǔ)償要求“在線測量”，把誤差檢測裝置直接安裝在機(jī)床上，在機(jī)床工作的同時，實時地測出相應(yīng)位置的誤差值，用此誤差值實時的對加工指令進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差補(bǔ)償對機(jī)床的誤差性質(zhì)沒有要求，能夠同時對機(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)行了溫度的在線測量和補(bǔ)償，未能達(dá)到實際應(yīng)用。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是用相應(yīng)的儀器預(yù)先對機(jī)床進(jìn)行檢測，即通過“離線測量”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，根據(jù)加工點的坐標(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。迄今為止，國內(nèi)外對系統(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)，首先通過直接測量法測得機(jī)床的各項單項原始誤差值，由誤差合成公式計算補(bǔ)償點的誤差分量，從而實現(xiàn)對機(jī)床的誤差補(bǔ)償。對三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行位置誤差測量的當(dāng)屬Leete, 運用三角幾何關(guān)系,推導(dǎo)出了機(jī)床各坐標(biāo)軸誤差的表示方法,沒有考慮轉(zhuǎn)角的影響。較早進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)是Hocken教授，針對型號Moore （未完，下一頁）
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