邵永刚
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[摘 要]随着机床向自动化方向的发展，在机械制造行业，以现代化技术为主的先进制造备中，数控机床其作为一种稳定性强、效率高、精度高的自动化加工装备，精度是其性能中最关键的一个方面。本文将从数控机床的误差分析、误差补偿分类、误差补偿的不足与难点及常用的误差补偿方法三个方面，对数控机床误差补偿技术进行分析。
[关键词]数控机床 精度 误差补偿
引言
随着机床向自动化方向的发展，以数控机床为主的现代化、自动化的加工装备越来越广泛的应用到机械制造行业。作为先进制造加工中的主要装备，数控机床的精度对零件实现高精度加工及精密制造犹为关键，同时，也是衡量数控机床性能的一个重要的标志。数控机床的误差补偿技术，就是不需要对机床的硬件结构进行拆改、调整，在机床出现误差时，能够实现自动的修正、修复，其大大的减少了采用“硬技术”才能达到的精度水平所需的资金，即可较为容易的实现提高机床的加工精度，因此，数控机床误差补偿技术是提高加工精度的一个很好方法。
一、数控机床误差分析
数控机床的误差大小是以加工工件质量来衡量。数控机床误差，从运动学的角度看，是指机床按照输入的操作指令经运转产生的实际运动与该操作指令所预期产生的运动结果之间的差异，也就是说机床工作台与刀具在实际运动中与理想位置的差异。由于存在相对运动，误差是不可避免，但要控制误差的范围在精度范围这内，因此，对于数控机床误差的分析意义十分重大。根据误差的来源，数控机床的误差可分为三类：机床误差、加工过程误差、检测误差。
机床误差，是机床的空间误差，包括结构误差、热误差和承载变形误差引起的刀具与工件作用点上的相对位置偏差；伺服系统的跟踪误差、进给传动机构误差引起的位移误差。
加工过程误差，是工件在加工过程中的误差，包括刀具更换、受力受热变形及磨损；夹具弹性变形、切削热及工件材质不均引起的误差。
检测误差，是检测系统的检测误差，即加工过程中的实时检测和工序之间在数控检测误差。
经研究发现，在误差分析中，机床误差占50%、加工过程误差35%、检测误差15%。
二、误差补偿分类
误差补偿是一种使用软件技术提升机床加工精度的方法，它可以在机床上实现加工出超出机床本身精度的工件。因此，数控机床误差补偿技术引起了国家的高度重视，将其列入国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”，使误差补偿技术得以迅速发展。
误差补偿技术，按补偿的范围大致上可以分为三类：静态补偿法、实时补偿法、综合动态补偿法。
静态补偿法，就是采取对数控机床的螺距进行补偿，来实现其在运动方向的上的部分定位误差补偿，但由于这种补偿方法受空间及环境的限制，对误差的补偿总体来说意义不大。
动态补偿法，是一种可以在特殊的情境下对误差进行适当的调节，但是这种补偿方法并不能有效的对两轴联动的加工轮廓误差和三轴联动的空间误差进行补偿，虽与静态补偿相比已有较大的改善，但对误差的补偿还具有较大的局限性。
实时动态补偿法，就是可以依据机床的不同工况及加工环境条件进行实时补偿的补偿方法，能实时跟踪补偿空间误差（几何误差、热误差、承载变形误差）及其它综合误差补偿。
三、误差补偿的不足与难点
从现今，国内、外数控机床误差补偿技术的发展看，经过了几十年的研究发展，数控机床误差实时补偿技术虽有部分运用到了工业中，但还并未成熟。从此可以看出，数控机床误差补偿的技术理论还有很大的开发余地，还需要进一步完善，并理论与实践相结合。
以下几点，为目前数控机床误差补偿技术中的不足和难点：
3.1、运动控制实现问题。
误差补偿利用机床移动（转动）的运动副使工件和刀具在机床的空间误差的相反方向上产生相对运动从而实现误差补偿。由于误差补偿运动控制的实现不仅要满足精度补偿以外，还应达到在实际运行过程中方便性及经济性。另外，要想达到误差的精准性，还要考虑机床的动态误差，及补偿的实时性，因此，实现运动控制的精确性、实时性、经济性和方便性是误差补偿运动控制必然要求。
3.2、综合建模补偿问题。
由于现在大部分的机床补偿将几何误差和热误差进行分开补偿，但鉴于机床误差的复杂性，例如，定位误差等实际上既是几何误差（与机床坐标有关）又是热误差（与机床温度有关），若按照通用的方法将这些误差作为几何误差进行补偿，其实就忽略了，这些误差在不同的温度下是变化的，因此，对于这种既属于几何误差又属于热误差的复合性误差（一般来说机床上的误差都和温度有关）要进行几何误差和热误差进行综合建模补偿。
3.3、检测和辨识时间长问题。
机床误差以热误差为例，热误差取决于如机床工况、室温、切削参数、冷却液、加工周期等多方面的因素，其呈现的是一种非线性的、相交互作用，因此，类似这样的机床误差检测和辨识都需要较长时间。同时，由于机床上的误差元素众多，一般的激光测量仪测量，一次调整仅测得一项误差元素，怎样高效、快速地检测，是一个尽快解决的问题。
四、常用的误差补偿方法
现在，大部分的数控机床有具备静态补偿的功能—螺距补偿功能，但其只能补偿运动方向上一定程度的定位误差。然而，实际运用中的数控机床的误差如几何误差、热变形误差和承载变形误差等都空间性，可以用空间坐标f（x，y，z） 函数来表达。
根据数控机床的结构NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统，相应的误差补偿法可分为NC补偿法、前馈补偿法、反馈修正法。
4.1、NC补偿法
NC补偿法，就是利用机床加工指令经过NC系统的粗、精插补，以脉冲当量的方式分别驱动各坐标轴。其中，误差模型计算的误差值，取反后叠加到插过程 中，从而，实现坐标轴的精确控制。
4.2、前馈补偿法
前馈补偿法，就是用误差量直接来控制伺服电机实现对误差的补偿，若为直流伺服电机只需要将误差量经D/A转化，然后，对电机进行控制，将误差量通过交流数字伺服转化后进行控制。
4.3、反馈修正法
反馈修正法，就是基于目前绝大多数的数控机床都具有闭环或半闭环控制，有信息反馈检测元件（码盘或光栅）。将检测出的误差计算量转化为反馈测量传感器的当量数据，然后，反向叠加到反馈系统中，利用数控系统位置调节功能实现补偿。但是其仅能补偿运动方向上的传动误差，不能对空间误差进行修正。
结束语
数控机床误差补偿技术，由于其能以有效、经济的手段，提高数控机床的加工精度，并随着数控机床误差补偿技术的进一步完善，将更有力的助推制造业的向先进制造、精密制造方向发展。
参考文献
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