数控机床产生的误差分析及补偿

刘明先

摘 要：数控机床在当前生产过程中起到不可或缺的作用，其精度是机床性能的一项重要指标，而误差是会严重干扰数控机床精度的。因此，对数控机床误差原因进行了分析，总结了有针对性的补偿方法，从而提高数控机床的加工精度。

关键词：热误差；螺距；摩擦力；数控机床

中图分类号：TG659 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.112

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，数控机床是一种稳定性强、效率高、精度高的自动化加工装备，精度是机床性能的一项重要指标，误差是影响工件精度的重要因素。数控机床误差产生的原因是多方面的。本文分析了数控机床精度误差的原因，并针对各种误差出现的具体情况提出了有针对性的解决方法。

1 数控机床机械变形误差和螺距补偿

数控机床机械变形误差主要是由机床结构变形造成，并且是一个较小的固定误差值，常见于数控机床主轴、测量臂等变形而造成加工的工件超差。以国内某一型号的磨床为例，磨床的砂轮滑架沿Z轴方向运行时，相对X轴方向出现了机械变形误差。

螺距补偿的原理是采用一次插补法，拟合误差曲线，生成一个误差曲线二维数组，然后对磨削曲线进行补偿，从而消除

机械变形误差。假设某次用激光校准仪测量磨床误差，得到10个点的数据为BedCorrection[X1，Y1]…BedCorrection[X10，Y10]。如果有一点为Xm（X1

图1中的误差曲线与X轴正相关，因此需要将误差曲线与磨削曲线相加，如果是测量臂误差曲线与X轴负相关，则需要将误差曲线与磨削曲线相减，补偿后的磨削曲线去CNC。

此外，为了避免误差曲线在拐点处出现较大的跳跃，可以选择不同的插补公式或采用高阶插补方法对拐点处作平滑处理，防止数控机床运行中出现电机轴超速或过电流故障。

2 数控机床热误差和温度补偿

热误差是由温度变化对机床轴的运行精度造成的影响，温度变化通常由环境温度变化、刀具发热传导、电机发热传导、传动链运动发热、液压润滑油温的变化等引起，针对不同的温度变化原因可采取不同的改善措施，例如恒温车间、降低传动链阻力、油温恒温控制等，但由于热误差产生的原因多，并一直处在变化状态，因此上述方法很难达到较好消除热误差的效果。

温度补偿是指找出温度变化与机床轴运行精度误差之间的规律，建立合适的数学模型，然后进行软件补偿的一种方法。经过测量发现，轴在某温度时的误差可以看出，在一定温度时，轴的误差与轴的绝对位置关系基本上是一条斜线；温度不同时，其斜率、零点不同，但都是一条近似的斜线。

轴在不同温度下的误差近似曲线可以用图1中的数学分解来确定一个数学关系式，即：

式（2）中：ΔKx为X轴在位置Px时的温度补偿值；K0（T）为轴在参考点位置时的温度补偿值；Px为轴的实际绝对位置值；P0为轴的参考点位置值；Tanβ（T）为误差近似曲线的斜率。

如果能够掌握不同温度下的近似误差曲线的斜率和零位误差的规律，则可以通过在相应轴的适当测量点取得温度值，再根据实验测量值计算出的规律，生成不同温度对应轴的不同位置需要的误差补偿量，即tempCorrection[T1，ΔK1]…temp Correction[Tn，ΔKn]。用该误差补偿量对磨削曲线进行了处理，补偿后的磨削曲线去CNC，从而以软件补偿来减小温度变化对轴精度误差的影响。

由于对应每一个X轴绝对位置坐标都有一个温度补偿值，因此，温度补偿值引起的轴位置修整必须在一个插补循环中完成，不能累积。如果温度补偿值过大，则会造成插补轴的速度不能满足要求，温度补偿算法会根据主动轴、从动轴、插补周期和补偿值大小来计算允许的温度补偿最大速度附加值。当速度超过上限时，自动对主动轴和从动轴进行降速处理，從而在误差补偿的同时使机床稳定运行。

3 数控机床响应误差和摩擦力补偿

机械轴传动链中的齿轮、丝杆、导轨等都存在摩擦力，轴由静止开始运动时需克服静摩擦力，静摩擦力对轴的动态特性有较大影响，而对于往复运行的轴，在换向时则是摩擦力影响较大的阶段。

圆弧插补时其中一个轴不换向而另一个轴换向，则换向轴的摩擦力对其动态特性的影响将直接影响到其是否能跟得上圆弧插补的轨迹，所以，摩擦力补偿常用于圆弧插补的圆度补偿。多数情况下，轴在整个加速运行范围内的摩擦力是一个变化的值，比如加速度越大，则摩擦力越大，且在克服最初的静态摩擦力开始运动时的摩擦力也会越大。因此，常用的摩擦力补偿方法为根据幅度适应曲线来确定实时补偿值，一般常用的幅度适应摩擦力补偿曲线如图2所示。

设当前加速度为a，当前补偿幅度值为Δn，则4个曲线段分别如下。

要确定该曲线中的各参数，需要经过多次测试，包括在轴整个速度、插补半径范围内作测试，然后根据测试的结果经计算得出最适合的参数值。此外，也可以采用常数值摩擦力补偿的方法，结合机床的圆度测试功能来进行补偿测试，具体操作方法为：①机床正常运行，摩擦力补偿不投入；②进行圆度测试，以常规运行参数进行；③设置1个较小的摩擦力补偿幅度值和时间常数，摩擦力补偿投入；④进行圆度测试，与步骤②相同；⑤根据圆度测试的结果，调整摩擦力补偿幅度值和时间常数。

圆度测试结果通常有4种形状，如图3所示。

图3中的“A”为摩擦力补偿幅度值过小的情况，“B”为摩擦力补偿幅度值过大的情况，“C”为摩擦力补偿时间常数过小的情况，“D”为摩擦力补偿时间常数过大的情况。如果经过常数值摩擦力补偿后在整个工作速度与半径范围内的插补特性较好，则圆度测试满足要求，摩擦力补偿可停止；如果其补偿效果不能达到要求，且摩擦力特性与轴的加速特性有关，则可以采用幅度适应方法进行摩擦力补偿。

4 结束语

综上所述，数控机床的精度作为机床最重要的技术指标，受到了多方面因素的影响。数控机床产生误差的原因主要有机械变形、磨损、热误差、静态响应误差和动态响应误差等。要想提高数控机床的加工精度，必须针对误差原因进行分析，找到合适的误差补偿方法，比如螺距补偿、温度补偿、摩擦力补偿等改善措施。对数控机床进行误差补偿后，能有效改善数控机床的定位精度和加工精度，使机床满足制造企业对加工精度的要求，进而提升企业的市场竞争能力。

参考文献

[1]洪琨.机床误差检测分析及其误差补偿技术的应用分析[J].电子制作，2013（04）.

[2]刘玲，张奕.数控机床误差补偿技术的探讨[J].装备制造技术，2015（11）.

〔编辑：张思楠〕