智能机床的误差补偿技术

发布时间：2017-09-30 作者：郭云霞叶文华梁睿君何磊来源：南京航空航天大学机电学院

关键字：智能机床误差补偿技术

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误差补偿技术是智能机床精度提高与保持的关健技术之一。分析了国内外机床误差补偿技术研究现状，提出智能机床误差补偿技术总框架；总结了智能机床误差源、误差元素、几何与热误差的误差元素模型及建模方法，以及典型的误差补偿方法；研究了力误差补偿技术、基于零件在线测量的误差综合补偿技术；最后，对未来智能机床误差补偿技术的发展重点进行展望。

在“工业4.0"和“中国制造2025”战略双重背景的驱动下，数控机床正朝着高端、智能、绿色的方向发展。智能机床是机床行业关注的热点，在零件加工过程中能够智能辅助决策、自动感知、智能监测、智能控制和智能维护，实现加工过程优质、高效、低能耗多目标优化运行。

随着航空、航天、汽车、能源、电子、生物医疗等领域的快速发展，对机床加工精度的要求越来越高。机床精度提高的方法有误差防止法和误差补偿法。通过提高机床各零部件设计、制造和装配水平来减小或消除误差的方法是误差防止法，这种提高机床制造精度的“硬”技术成本高。误差补偿法是预设一种新误差去抵消或减小偏离目标值的机床误差，即通过测量、分析、统计等方法分析出机床误差的特点和规律，建立误差数学模型，使预设的新误差抵消或减小加工过程中产生的误差，。这是一种提高机床加工精度的“软”技术，也是一种超越性技术，它能使零件的加工精度高于机床本身的精度，而投人的费用远远低于采用“硬”技术所需的费用，并将成为提高未来机床精度的一种主要方法。

目前，国外一些主要机床及数控系统厂商已经研发出误差补偿技术并应用于实际产品中。如日本大限机床开发了5轴控制机床的几何误差补偿与精度维持智能化系统；马扎克的智能机床中融人智能热屏障技术，它通过热变形补偿技术与主轴冷却装置的共同作用，使得加工精度长时间保持稳定；瑞士米克朗研发的高速主轴智能温度漂移控制（ITC）是一种温度补偿系统，可根据主轴温度变化情况，在加工中进行实时热补偿。在国内，华中数控研发的智能数控系统中的智能补偿模块是由激光干涉仪对机床空间误差进行测量，建立空间误差模型进行补偿；大连光洋科技研制的N C60/6I数控系统也具有几何误差和热误差补偿功能。

智能机床误差补偿技术总体框架

智能机床误差补偿技术借助各类传感器对机床加工精度的影响因素（如工作环境、加工参数等）进行智能检测、智能感知及智能决策，并借助大数据平台实时地对数据信息进行智能分析、融合与处理，能准确得出误差补偿数值实时补偿。该技术进一步提高了误差补偿的自动化程度，为达到更高的补偿精度、更快的补偿速度、更好的补偿实时性的理想目标奠定基础。

在智能机床误差补偿系统中，除了对机床的几何误差进行补偿外，还要对加工过程中由热、力、振动等引起的误差进行补偿。加工过程中热、力、振动信号可分别通过温度传感器、力传感器、加速度传感器或其他间接采集方法进行实时采集；加工过程中或加工过程间的零件误差可通过零件在线测量或在机测量系统进行测量与计算得到误差补偿系统根据预先建立的误差模型和实时采集的数据，经系统分析计算得到误差补偿量，进而补偿误差整个补偿过程脱离人为干涉因素，系统自行进行最优化补偿方案。智能机床误差补偿系统总框架如图1所示。

目前，对机床准静态误差（包括几何误差和热误差）的补偿研究相对比较成熟，对力误差等动态误差的补偿研究还属于起步阶段。机床准静态误差补偿技术主要包括误差检测、误差元素辨识与分离、误差建模和补偿控制这几个方面。机床准静态误差补偿过程如图2所示。

机床误差源及误差元素分析

智能机床误差主要包括几何误差、热误差与力误差（图3），控制误差相对较小，通常已由数控系统内部进行补偿，在此不做讨论。

几何误差主要来源于数控机床零部件制造与装配误差，是与机床零部件形状和位置精度相关的一类误差。在机床部件进行移动或转动时，这些位置和形状误差会叠加到机床的运动部件上，进而导致几何误差的产生。同时，机床运动部件在内、外部热源作用下会产生热变形，在切削力等其他力的作用下会产生力变形。机床热变形和力变形都使其运动轨迹偏离理想运动轨迹，产生热误差和力误差。机床的几何误差元素、热误差元素、力误差元素都包括移动副误差元素、转动副误差元素以及主轴误差元素。

根据运动学原理，一个刚体由6个自由度（包括3个移动自由度和3个转动自由度）来确定它在空间的位置和方向，因此，机床的每个移动副或转动副都分别有3个移动误差s和3个转角误差二，而3个移动轴相互之间还存在垂直度误差S，而3个转动轴相互之间还存在平行度误差刀；机床主轴旋转时，会产生3个移动误差和2个转角误差，因此，具有3个移动轴（T轴）和2个转动轴（R轴）的五轴联动机床共有42项几何误差元素、42项热误差元素和42项力误差元素。

各轴的基本误差元素见表1，表中uv、uv分别表示沿坐标轴“和绕坐标轴u的移动误差、转角误差，其中下标u代表误差方向x，y，z.下标、表示坐标轴运动方向X，Y，Z，A，B，C，S。通常把uv、uv为基本误差元素。机床的误差元素可以表示为uv、uv。其中上标W表示误差源，其中误差源包括G（几何误差）、T（热误差），F（力误差），例如移动几何误差占uv、转动热误差uv。

图1 智能机床误差补偿系统

Fig.1 Error compensation system for intelligent machine tool

图2 机床准静态误差补偿过程

Fig.2 Quasi static error compensation process of machine tool

图3 机床误差及主要误差源

Fig.3 Errors and main error resources of machine tool

几何与热误差建模

建立一套准确反映机床误差的模型是误差补偿的关键误差建模可分为误差元素建模和综合误差建模前者通过对机床几何误差、热误差等特性辨识建立模型，用来预测误差值；后者将预测的误差值分配到各运动轴上，用于进行补偿。

1 误差元素模型

在误差补偿系统中，误差不同采川的建模方法也不同_如几何误差元素是仅与机床位置有关的误差元素，热误差元素是与温度有关的误差元素，复合误差元素是与机床位置和温度都有关的误差元素，其建模方法各异。

（1）几何误差元素建模

影响机床几何误差的因素较多，且具有非线性，精确建模困难目前，几何误差元素建模最常用的方法是基于最小二乘法的回归建模法，依据刚体假设，使用机床运动轴位置坐标的多项式模型来拟合几何误差元素，求得几何误差元素的模型其他常用的方法包括齐次坐标变换法、正交多项式建模法、神经网络法、多体系统理论法、遗传算法等。

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