前言

　　提高機床精度有兩種方法。一種是通過提高零件設(shè)計府瞄、制造和裝配的水平來消除可能的誤差源楚餐，稱為誤差防止法（errorprevention）。該方法一方面主要受到加工母機精度的制約蹂孽，另一方面零件質(zhì)量的提高導致加工成本膨脹撇扯，致使該方法的使用受到一定限制。另一種叫誤差補償法（errorcompensation）酸穗，通常通過修改機床的加工指令见撵，對機床進行誤差補償，達到理想的運動軌跡方蜡，實現(xiàn)機床精度的軟升級薪尉。研究表明，幾何誤差和由溫度引起的誤差約占機床總體誤差的70%锚拳，其中幾何誤差相對穩(wěn)定凡加，易于進行誤差補償。對數(shù)控機床幾何誤差的補償销泽，可以提高整個機械工業(yè)的加工水平氧胳，對促進科學技術(shù)進步，提高我國國防能力辰令，繼而極大增強我國的綜合國力都具有重大意義伴鳖。

　　1 幾何誤差產(chǎn)生的原因

　　普遍認為數(shù)控機床的幾何誤差由以下幾方面原因引起：

　　1.1 機床的原始制造誤差

　　是指由組成機床各部件工作表面的幾何形狀、表面質(zhì)量徙硅、相互之間的位置誤差所引起的機床運動誤差榜聂，是數(shù)控機床幾何誤差產(chǎn)生的主要原因。

　　1.2 機床的控制系統(tǒng)誤差

　　包括機床軸系的伺服誤差（輪廓跟隨誤差）闷游，數(shù)控插補算法誤差峻汉。

　　1.3 熱變形誤差

　　由于機床的內(nèi)部熱源和環(huán)境熱擾動導致機床的結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差。

　　1.4 切削負荷造成工藝系統(tǒng)變形所導致的誤差

　　包括機床脐往、刀具休吠、工件和夾具變形所導致的誤差。這種誤差又稱為“讓刀”业簿，它造成加工零件的形狀畸變瘤礁，尤其當加工薄壁工件或使用細長刀具時，這一誤差更為嚴重梅尤。

　　1.5 機床的振動誤差

　　在切削加工時柜思，數(shù)控機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)域巷燥，從而激起強烈的顫振触擎。導致加工工件的表面質(zhì)量惡化和幾何形狀誤差沛狱。

　　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）由于機床零件和機構(gòu)誤差以及在使用中的變形導致測量傳感器出現(xiàn)的誤差尤乎。

　　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誤差。

　　1.8 其它誤差

　　如編程和操作錯誤帶來的誤差剪妥。

　　上面的誤差可按照誤差的特點和性質(zhì)波寓，歸為兩大類：即系統(tǒng)誤差和隨機誤差。

　　數(shù)控機床的系統(tǒng)誤差是機床本身固有的誤差蝇居，具有可重復性报逛。數(shù)控機床的幾何誤差是其主要組成部分，也具有可重復性刮锹。利用該特性任疤，可對其進行“離線測量”，可采用“離線檢測——開環(huán)補償”的技術(shù)來加以修正和補償秆廉，使其減小策洒，達到機床精度強化的目的。

　　隨機誤差具有隨機性顽腾，必須采用“在線檢測——閉環(huán)補償”的方法來消除隨機誤差對機床加工精度的影響，該方法對測量儀器诺核、測量環(huán)境要求嚴格抄肖，難于推廣。

　　2 幾何誤差補償技術(shù)

　　針對誤差的不同類型窖杀，實施誤差補償可分為兩大類漓摩。隨機誤差補償要求“在線測量”，把誤差檢測裝置直接安裝在機床上入客，在機床工作的同時管毙，實時地測出相應位置的誤差值，用此誤差值實時的對加工指令進行修正桌硫。隨機誤差補償對機床的誤差性質(zhì)沒有要求夭咬，能夠同時對機床的隨機誤差和系統(tǒng)誤差進行補償。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)備铆隘，成本太高卓舵，經(jīng)濟效益不好。文獻[4]進行了溫度的在線測量和補償膀钠，未能達到實際應用秫废。系統(tǒng)誤差補償是用相應的儀器預先對機床進行檢測，即通過“離線測量”得到機床工作空間指令位置的誤差值俺媳，把它們作為機床坐標的函數(shù)情丛。機床工作時肉棕，根據(jù)加工點的坐標，調(diào)出相應的誤差值以進行修正暂铭。要求機床的穩(wěn)定性要好伴糟，保證機床誤差的確定性，以便于修正羽傻，經(jīng)補償后的機床精度取決于機床的重復性和環(huán)境條件變化壮焰。數(shù)控機床在正常情況下，重復精度遠高于其空間綜合誤差法厢，故系統(tǒng)誤差的補償可有效的提高機床的精度费武，甚至可以提高機床的精度等級。迄今為止怎猜，國內(nèi)外對系統(tǒng)誤差的補償方法有很多耽翁，可分為以下幾種方法：

　　2.1 單項誤差合成補償法

　　這種補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床的各項單項原始誤差值怔接，由誤差合成公式計算補償點的誤差分量搪泳，從而實現(xiàn)對機床的誤差補償。對三坐標測量機進行位置誤差測量的當屬Leete扼脐，運用三角幾何關(guān)系岸军，推導出了機床各坐標軸誤差的表示方法，沒有考慮轉(zhuǎn)角的影響瓦侮。較早進行誤差補償?shù)膽荋ocken教授艰赞，針對型號Moore5-Z（1）的三坐標測量機，在16小時內(nèi)肚吏，測量了工作空間內(nèi)大量的點的誤差方妖，在此過程中考慮了溫度的影響，并用最小二乘法對誤差模型參數(shù)進行了辨識罚攀。由于機床運動的位置信號直接從激光干涉儀獲得党觅，考慮了角度和直線度誤差的影響，獲得比較滿意的結(jié)果斋泄。1985年G.Zhang成功的對三坐標測量機進行了誤差補償杯瞻。測量了工作臺平面度誤差，除在工作臺邊緣數(shù)值稍大翁写，其它不超過1μm惠所，驗證了剛體假設(shè)的可靠性。使用激光干涉儀和水平儀測量得的21項誤差汰检，通過線性坐標變換進行誤差合成更掺，并實施了誤差補償。X-Y平面上測量試驗表明何杈，補償前拴挫，在所有測量點中誤差值大于20μm的點占20%默峦，在補償后，不超過20%的點的誤差大于2μm揩榴，證明精度提高了近10倍袱类。

　　除了坐標測量機的誤差補償以外，數(shù)控機床誤差補償?shù)难芯恳踩〉昧艘欢ǖ某晒簟Ｔ?977年Schultschik教授運用矢量圖的方法趣匪，分析了機床各部件誤差及其對幾何精度的影響，奠定了機床幾何誤差進一步研究的基礎(chǔ)晒来。Ferreira和其合作者也對該方法進行了研究钞诡，得出了機床幾何誤差的通用模型，對單項誤差合成補償法作出了貢獻湃崩。J.Nietal更進一步將該方法運用于在線的誤差補償荧降，獲得了比較理想的結(jié)果。Chenetal建立了32項誤差模型攒读，其中多余的11項是有關(guān)溫度和機床原點誤差參數(shù)朵诫，對臥式加工中心的補償試驗表明，精度提高10倍薄扁。Eung-SukLeaetal幾乎使用了同G.Zhang一樣的測量方法剪返，對三坐標Bridgeport銑床21項誤差進行了測量，運用誤差合成法得出了誤差模型泌辫，補償后的結(jié)果分別用激光干涉儀和Renishaw的DBB系統(tǒng)進行了檢驗随夸，證明機床精度得以提升。

　　2.2 誤差直接補償法

　　這種方法要求精確地測出機床空間矢量誤差震放，補償精度要求越高，測量精度和測量的點數(shù)就要求越多驼修，但要詳盡地知道測量空間任意點的誤差是不可能的殿遂，利用插值的方法求得補償點的誤差分量，進行誤差修正敌夜，該種方法要求建立和補償時一致的絕對測量坐標系盔锦。

　　1981年，Dufour和Groppetti在不同的載荷和溫度條件下数凫，對機床工作空間點的誤差進行了測量奖冻，構(gòu)成誤差矢量矩陣，獲得機床誤差信息森烦。將該誤差矩陣存入計算機進行誤差補償癞糙。類似的研究主要有A.C.Okaforetal，通過測量機床工作空間內(nèi)维愈，標準參考件上多個點的相對誤差伦朵，以第一個為基準點罢令，然后換算成絕對坐標誤差，通過插值的方法進行誤差補償暑赏，結(jié)果表明精度提高了2～4倍媒埃。Hooman則運用三維線性（LVTDS）測量裝置，得到機床空間27個點的誤差（分辨率0.25μm贼穆，重復精度1μm）题山，進行了類似的工作。進一步考慮到溫度的影響故痊，每間隔1.2小時測量一次顶瞳，共測量8次，對誤差補償結(jié)果進行了有關(guān)溫度系數(shù)的修崖蜜。這種方法的不足之處是測量工作量大浊仆，存儲數(shù)據(jù)多。目前豫领，還沒有完全合適的儀器抡柿，也限制了該方法的進一步運用和發(fā)展。

　　2.3 相對誤差分解等恐、合成補償法

　　大多數(shù)誤差測量方法只是得到了相對的綜合誤差洲劣，據(jù)此可以從中分解得到機床的單項誤差。進一步利用誤差合成的辦法课蔬，對機床誤差補償是可行的囱稽。目前，國內(nèi)外對這方面的研究也取得一定進展二跋。

　　2000年美國Michigan大學JunNi教授指導的博士生ChenGuiquan做了這樣的嘗試卡围，運用球桿儀（TBB）對三軸數(shù)控機床不同溫度下的幾何誤差進行了測量，建立了快速的溫度預報和誤差補償模型哭练，進行了誤差補償外秋。Christopher運用激光球桿儀（LBB），在30分鐘內(nèi)獲得了機床的誤差信息僧憾，建立了誤差模型奈株，在9個月的時間間隔內(nèi)，對誤差補償結(jié)果進行了5次評價荐呵，結(jié)果表明稿焚，通過軟件誤差補償?shù)姆椒梢蕴岣邫C床的精度，并可保持精度在較長時間內(nèi)不變蔬聚。

　　誤差合成法用动，要求測出機床各軸的各項原始誤差，比較成熟的測量方法是激光干涉儀，測量精度高豹谎。用雙頻激光干涉儀進行誤差測量悦要，需時間長，對操作人員調(diào)試水平要求高媳叨。更主要的是對誤差測量環(huán)境要求高腥光，常用于三坐標測量機的檢測，不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場操作糊秆。相對誤差分解武福、合成補償法，測量方法相對簡單痘番，一次測量可獲得整個圓周的數(shù)據(jù)信息捉片，同時可以滿足機床精度的檢測和機床評價。目前也有不少的誤差分解的方法汞舱，由于機床情況各異伍纫，難以找到合適的通用數(shù)學模型進行誤差分解，并且對測量結(jié)果影響相同的原始誤差項不能進行分解昂芜，也難以推廣應用莹规。誤差的直接補償法，一般以標準件為對照獲得空間矢量誤差泌神，進行直接補償良漱，少了中間環(huán)節(jié)，更接近機床的實用情況棠裹。但獲得大量的信息量需要不同的標準件忆和，難以實現(xiàn)，這樣補償精度就受到限制效迹。

　　在國內(nèi)龟聊，許多研究機構(gòu)與高校近幾年也進行了機床誤差補償方面的研究。1986北京機床研究所開展了機床熱誤差的補償研究和坐標測量機的補償研究啰蕴。1997年天津大學的李書和等進行了機床誤差補償?shù)慕：蜔嵴`差補償?shù)难芯俊?998年天津大學的劉又午等采用多體系統(tǒng)建立了機床的誤差模型茸太，給出了幾何誤差的22線、14線迂奋、9線激光干涉儀測量方法，1999年他們還對數(shù)控機床的誤差補償進行了全面的研究誉缚，取得了可喜的成果嘱垛。1998年上海交通大學的楊建國進行了車床熱誤差補償?shù)难芯俊?996到2000年在國家自然科學基金和國家863計劃項目的支持下，華中科技大學開展了對數(shù)控機床幾何誤差補償以及基于切削力在線辯識的智能自適應控制的研究疫遵，取得了一些成果那惜。

　　綜上所述：進行數(shù)控機床的誤差補償，誤差測量是關(guān)鍵，誤差模型是基礎(chǔ)苫耸。通過誤差的補償州邢，可以有效的提高機床的精度，為提升我國制造業(yè)水平作貢獻褪子。

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