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浅谈数控机床几何误差的补偿方法
【摘要】随着我国经济的快速发展和机床加工技术的迅猛进步,
数控机床作为一种加工设备已经应用广泛。在现有的技术水平上提
高机床的加工精度就成了市场竞争的主要方向。提高数控机床精度
的方法一般而言主要有两种:一种是通过提高零件设计制造和零件
装配的水平来消除可能产生的误差源,称为误差防止法。该方法一
方面主要受到加工母机精度的制约;另一方面零件质量的提高导致
加工成本膨胀,致使该方法的使用受到一定限制。另一种叫误差补
偿法,通常通过修改机床的加工指令,对机床进行误差补偿,达到
理想的运动轨迹,实现机床精度的升级。本文就对对数控机床几何
误差产生的原因作了比较详细的分析,将系统误差的补偿方法进行
了归纳和总结。并在此基础上阐述了各类误差补偿方法的应用场
合,为进一步实现机床精度的升级打下基础。
【关键词】数控机床;几何误差;误差补偿
关于数控机床几何误差的补偿,不但可以改进单个零件的加工
精度,加强零件的质量水平,提升企业的市场竞争能力,甚至可以
提高整个机械工业的加工水平,对促进科学技术进步,提高我国的
科技创新实力,继而极大增强我国的综合国力都具有重大意义。有
关研究表明:几何误差和由温度引起的误差约占机床总体误差的
70%,其中几何误差相对较为稳定,易于进行误差补偿。
1几何误差产生的原因
1.1机床的原始制造误差
是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互
之间的位置误差所引起的机床运动误差,是数控机床几何误差产生
的主要原因。
1.2机床的控制系统误差
包括机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差),数控插补算法误差。
1.3热变形误差
由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产
生的误差。
1.4切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差
包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又
称为“让刀”,它造成加工零件的形状畸变,尤其当加工薄壁工件
或使用细长刀具时,这一误差更为严重。
1.5机床的振动误差
在切削加工时,数控机床由于工艺的柔性和工序的多变,其运
行状态有更大的可能性落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振。导
致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
1.6检测系统的测试误差
包括以下几个方面:
1.6.1由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差
引起的测量传感器反馈系统本身的误差:
1.6.2由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测
量传感器出现的误差。
1.7外界干扰误差
由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
1.8其它误差(如编程和操作错误带来的误差)
上面的误差可按照误差的特点和性质,归为两大类:即系统误
差和随机误差。数控机床的系统误差是机床本身固有的误差,具有
可重复性。数控机床的几何误差是其主要组成部分,也具有可重复
性。利用该特性,可对其进行“离线测量”,可采用“离线检测—
—开环补偿”的技术来加以修正和补偿,使其减小,达到机床精度
强化的目的。
随机误差具有随机性,必须采用“在线检测——闭环补偿”的
方法来消除随机误差对机床加工精度的影响,该方法对测量仪器、
测量环境要求严格,难于推广。
2几何误差补偿方法
针对误差的不同类型,实施误差补偿可分为两大类。随机误差
补偿要求“在线测量”,把误差检测装置直接安装在机床上,在机
床工作的同时,实时地测出相应位置的误差值,用此误差值实时的
对加工指令进行修正。随机误差补偿对机床的误差性质没有要求,
能够同时对机床的随机误差和系统误差进行补偿。但需要一整套完
整的高精度测量装置和其它相关的设备,成本太高,经济效益不好,
进行了温度的在线测量和补偿,未能达到实际应用。系统误差补偿
是用相应的仪器预先对机床进行检测,即通过“离线测量”得到机
床工作空间指令位置的误差值,把它们作为机床坐标的函数。机床
工作时,根据加工点的坐标,调出相应的误差值以进行修正。要求
机床的稳定性要好,保证机床误差的确定性,以便于修正,经补偿
后的机床精度取决于机床的重复性和环境条件变化。数控机床在正
常情况下,重复精度远高于其空间综合误差,故系统误差的补偿可
有效的提高机床的精度,甚至可以提高机床的精度等级。迄今为止,
国内外对系统误差的补偿方法有很多,可分为以下几种方
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