数控机床精度检测及误差补偿

摘 要：随着我国工业和国民经济的高速发展，工业产品结构不断复杂，因此对数控机床的加工精度及其测量技术提出了越来越高的要求。误差补偿技术作为现代精密工程的重要技术支柱之一，必将得到广泛的应用。

关键词：机床；精度检测；误差补偿

一、误差来源

影响机床加工精度的误差源主要表现为机床系统的空间误差、刀具系统的位置误差、工件和夹具系统的位置误差、检测系统的测试误差和外界干扰误差。经过统计机床误差占各种误差源的比重为50%，加工过程和检测误差占35%和15%。

二、精度检测

机床原始误差参数的精确测定是误差模型准确计算的关键。为了对数控机床的误差进行全面准确的预测和补偿或准确、全面评价机床性能，必须知道机床的所有误差元素在各种条件下、各种环境下以及在各个时刻的值。

精度检测是用合适的误差测量仪器直接测量出所要检定的误差成分，它有单项误差检测和综合误差检测之分。误差检测不需要误差辨识模型，因此最可靠、最直观，也最便于应用。一般情况下，机床单项几何误差的检测不是很困难，但是机床热变形误差、弹性变形误差以及振动误差等由于多种因素的复杂影响，以及测量仪器研制、安装、性能等方面的制约，直接检测要困难得多，这类误差往往多采用间接估计的方法。

在机床综合性能评价或综合误差补偿中，有时需要或只需要进行综合误差检测。另外，综合误差检测也是辨识机床原始误差的一个重要途径，因此综合误差检测误差占有显著的地位。

国家标准GB/T 17421.2-2000规定了通过测量机床的单独轴线来检验和评定数控机床的定位精度和重复定位精度的方法。主要指标是：轴线的重复定位精度R；轴线的定位精度A；轴线的反向差值B；平均位置偏差M。其中，以重复定位精度R和反向差值B对加工精度的影响最为明显。机床的重复定位精度是指重复定位时坐标轴的实际位置和理想位置的符合程度，重复位置精度的不准确会导致工件的尺寸误差。而重复定位精度R的高低在很大程度上取决于滚珠丝杠的螺距累积误差和位置检测系统的误差。反向差值是指机床在同一位置往返移动时重合程度，反向差值过大会直接影响工件的加工精度。影响反向差值B的因素有：由于测量轴线与被测机床运动坐标标准装置轴线（滚珠丝杠或光栅尺）存在偏置造成，运动部件移动时产生偏角，运动部件往返移动时产生阿贝误差B；滚珠丝杠副的加工误差；传动链各个部件的间隙误差；被测机床传动链连接和紧固元件松动等。

2.1 误差补偿

数控机床的加工精度最终仍由刀具与工件之间的相对位置决定，其影响因素很多，而机床的动态误差和几何误差是影响加工精度的主要因素。提高精度主要有两种途径：（1）提高机床部件的加工、装配精度，此方法不仅受到加工机床精度等级的制约，而且随着加工精度的提高，加工成本呈指数级数增加，效益不高。（2）利用数控机床的可编程、智能性，通过对误差的补偿而达到“低精度机床加工高精度工件”的效果。采用软件的误差补偿技术是一项有效而经济的手段。数控机床软件误差补偿技术由于无需对数控机床硬件进行改造，便可较大幅度提高数控机床的加工精度。

目前，对该方法的研究在数控机床上已得到广泛的应用，一般出厂时数控系统都已配有各自的误差补偿软件。当前行之有效的是对机床各轴的定位误差补偿，通过修正数控系统反馈增值表IFC，达到提高机床的定位精度的目的。

2.2数控机床的精度检测及误差补偿方法

利用英国RENISHAW MLl0激光干涉仪，对数控机床的定位精度和重复定位精度进行精度检测和误差补偿。

（1）MLl0激光干涉仪原理及测试系统

MLI0激光干涉仪是一种高精度仪器，其精度高达到±1.1PPM（在0～40℃下），测量范围大（线性测长40m，位选80m）。测量速度快（60mPmin），分辨率高（0.001μm），便携性好。由于ML10激光干涉仪具备自动线性误差补偿能力，可方便检测出机床精度。

如图2.1所示，激光干涉仪是利用光的干涉原理和多普勒效应产生频差的原理来进行位置检测的。两束振幅相同，频率分别为f1和f2的左右圆偏振光由激光器l发出，经λ/4片之后变为振动方向垂直的线偏振光。分光器3将一部分光束反射，经检偏器4形成频率分别为f1、f2的信号，由接收器5接收为参考信号；另一部分光束通过分光器3进入偏振分光器6，其中平行于分光面的频率为f2的线偏振光完全通过分光器6到达可动反射镜8。从反射镜7和8发射回来的两束光到偏振分光器6的分光面汇合，再经转向棱镜9、偏振器10，由接收器11接收为测量信号，测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差△f。计数器在时间t内计取频率为△f的脉冲数N相当于在t区间内对f积分，即：

N=■Δfdt=2l/λ

l=（λ/2）N

式中：N为累计脉冲数；λ为激光波长；l为测量距离。

图2.1 激光干涉仪原理图

（2）检测与误差补偿

数控机床误差补偿系统

该系统组成如图2-3所示：数控机床、激光干涉仪、误差测量接口、误差补偿接口、计算机和打印机等。激光干涉仪用于测量误差，计算机是系统的核心。通过测量接口可用双频激光干涉仪自动测量数控机床的定位误差，误差数据可通过打印机输出。再根据误差分析结果，依靠数控系统自带的补偿软件进行精度补偿。

图2.2 数控机床误差补偿系统

误差补偿这项工作应该是在机床几何精度（床身水平、平行度、垂直度等）调整完成后进行的，这样可以尽量减少几何精度对定位精度的影响。另外，进行螺距误差补偿时应使用高精度的检测仪器（如激光干涉仪），这样可以先测量再补偿，补偿后再测量，并按照相应的分析标准对测量数据进行分析，直到达到机床对定位精度的要求范围。

数控系统是绝对型补偿，要求机床各轴的机械坐标参数考点必须是一个补偿点，系统规定各第一号补偿点应在各轴负方向最远端，即补偿点的编号从最负端开始，逐一向正方向编号。各点可补偿的误差范围为-1000μm～+1000μm。

（3）实际检测补偿过程

根据实际的测量结果，我们可以发现经过误差补偿，机床的精度得到了显著的改善，达到了验收时的要求。

表2.1误差补偿后机床精度检测验收结果

由上表可以看出运用激光干涉仪对数控机床位置精度和重复位置精度的检测，并根据所得的检测结果进行误差补偿可达到理想的精度要求。

结论

本文利用英国RENISHAW MLl0激光干涉仪，对数控机床的定位精度和重复定位精度进行精度检测和误差补偿，证实了数控机床精度检测与误差补偿的必要性与可行性。

参考文献

[1]杨皖苏，严鸿和.机械科学与技术[J].1997，26（4）：1-6

[2]陈玉祥.中国机械工程[J].1998，9（5）：1-4

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