数控机床误差的辨识新方法研究及补偿应用

李 阵,王海东

（沈阳机床股份有限公司,沈阳 110141）

数控机床误差的辨识新方法研究及补偿应用

李 阵,王海东

（沈阳机床股份有限公司,沈阳 110141）

数控机床的误差辨识是验证机床综合性能的主要手段和重要方式，通过误差辨识得出的结果可以为补偿误差提供理论依据，误差的诊断结果同时还能够为机床的检修提供科学的判断，本文就数控机床存在的空间定位误差进行综合性分析，利用变换坐标的方式建立新的坐标体系，帮助机床进行误差的测量和补偿。

数控机床；误差；辨识方法；补偿应用

数控机床在使用的过程中会出现一系列误差，最主要的误差是热误差和几何误差，需要提高数控机床的加工精度，就需要采用合适的方式减少这两种误差对数控机床工作的影响。随着我国制造水平的提高，对于数控机床精度的要求也越来越高，但是精度越密集的机床，其热误差占总误差的比例往往越高，因此，对热误差进行补偿是提高数控机床精度的关键。

1 数控机床误差的主要辨识方法

1.1 数据评估法

数据评估法是对机床的每个轴中的直线度和垂直度进行测量，然后将测量的数据和机床的初始状态时的数据进行综合比较，根据机床几何精度的变化将测量出来的结果单独绘制成几何图形，就能通过图形找出敏感的直线误差甚至是垂直误差。将所有实验中取得的数据绘制在一张图形上，从中得到占空率对机床几何精度变化的影响。直线度的误差可以由机床轴进行判断，横轴上的直线度数据一般不能超过3微米，主要原因在于横轴对热有一定的敏感性，从传感器收集到的数据可以看出温度与机床其他部位相比存在的差别。纵轴上的垂直直线度一般会达到15微米，这根横轴的运动有着一定的联系。与直线度的误差相比较，垂直度的误差是引起机床几何精度直线下降的主要原因，一般情况下，当垂直度的误差超过140微米时就会威胁到机床的正常工作，所以在误差靠近140微米时候需要及时对机床进行调整，保证其工作的正常运行。

1.2 球杆仪检测法

机床在运动过程中，管理人员往往会使用球杆仪对机床运动的精度进行测量，由于实际的误差轨迹是由多种误差组成的，在多种误差的作用下会形成统一误差轨迹。在进行误差分离时应该根据每一种误差轨迹的模式特点对误差进行分离，最后对各项误差进行准确辨识。球杆仪具有误差模拟的功能，通过模拟发现某一项误差时可以对已经存在的误差进行等比例的拉伸或者进行等比例的收缩，保证轨迹误差中的数值不发生变化，从而能够为单项误差的辨识提供数据依据，为了保证辨识结果的准确性，需要对间隙误差进行补偿，当存在反向的间隙误差时，同时还存在反响越冲时，需要明确其在轨迹误差中的位置，进而确定其大小。

1.3 激光干涉仪测量法

激光干涉仪测量法是机床误差测量中相对完善和成熟的测量工具。由于数控机床本身的运动相对复杂，其在运动过程中产生的误差也是相对复杂的，对这些误差进行逐一测量需要花费较多的时间，通过激光干涉仪能够对机床的线性定位误差进行辨识，其测量原理如下图所示。

激光干涉仪测量原理

对机床的线性定位误差进行测量时，需要固定干涉镜，然后移动反射镜，分别测量三个数轴的定位误差，在此期间需要对激光干涉仪进行三次安装。通过光束反射的激光频率进行位移测量，从而可以得到机床运动过程中出现的一系列误差。

2 数控机床误差的补偿应用

2.1 误差的测量

数控机床的误差主要有定位误差和热误差，其定位误差通常是和位置相关的几何误差，造成这些误差的原因主要有机床的制造缺陷和部件配置所造成，这种误差可以通过数控系统对其进行补偿，定位误差往往是与温度有关又与位置有关的误差，需要在不同的温度下对误差进行测量，通过插补法建立定位误差与温度和位置之间的关系模型，并对此进行补充补偿。

2.2 补偿装置的安装

在进行误差补偿时需要安装适当的补偿装置。

首先在机床上布置一些温度传感器，通过传感接口与补偿器进行连接，对机床的温度进行检测，从而更好的预测机床存在的误差。在补偿器上还需要连接位移传感器，用来检测补偿后的机床主轴热偏移。将笔记本电脑的串口与补偿器的串口进行连接，通过上位机程序进行调试。补偿器还需要同数控系统进行连接，对外部的输出线进行简化，预留一根触发信号线，可以控制最大输出的偏移量。

2.3 补偿的实施效果分析

通过上述测量可以得到定位误差，然后对定位误差和主轴的热误差进行建模，通过误差补偿装置进行综合性补偿。在进行补偿之前需要对机床的运动轴进行测量，其次还需要测量补偿装置输出值的对应特性，下图为定位误差补偿的相应输出值。

激光测量仪对数控机床误差的补偿，对于横轴的定位误差而言，在没有补偿的情况下出现的定位误差为8μm，补偿之后定位误差下降了6μm，而Z轴的定位误差在补偿之后下降了18μm。对温度的影响不进行考虑，在补偿过程中需要以第一次测量的位移最大值进行补偿，事实上在不考虑温度变化的情况下对数控机床的误差进行补偿仍然存在一定程度的误差数据，不能达到完全补偿的目的，所以考虑温度的变化可以进一步提高定位误差补偿的效果。同定位误差相同，对热误差进行补偿之后测量得到的径向误差在原来的基础上减少了75％。

总之，通过对数控机床的误差进行补偿使得其定位误差和主轴的热误差得到了一定程度的改善，从而得到数控机床的误差补偿技术在提高机床精度过程中具有较高的实用价值。

3 结束语

现有的数控机床在空间定位的误差补偿过程中，人们往往会忽略对温度的考虑，从而导致补偿的精度不够准确，本文通过快速测量和补偿的方式确定了空间定位误差和温度之间的正相关关系，所以在不同温度情况下需要对空间定位的误差进行有效预测，保证空间定位误差补偿和温度变化不再分离，为补偿不同更高的精确度。在常用的数控机床误差补偿中，管理人员往往缺乏灵活性补偿方法，针对数控系统的外部便宜系统进行研究，可以通过软件和硬件的综合设计，为误差补偿提供新的有效的实施方法，从而解决机床在工作中由于误差的出现而引发的高成本问题。

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[3]李欢玲.基于多体理论的数控机床几何误差补偿技术的研究[D].南京航空航天大学,2009.

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