数控机床误差补偿的关键技术研究
【摘要】数控机床误差补偿的关键技术主要包括误差建模技术、测量技术、补偿实施技术等。数控机床误差补偿的关键技术可以有效对原始误差的特点和规律进行全面分析，减少或消除原始误差。本文对数控机床误差补偿技术进行研究，针对机床精度建立机床空间误差综合模型，对自由测量几何误差项的方法和基于模糊神经网络理论的热误差辨识新方法进行深入探讨，对热误差补偿应用仿真效果进行综合分析。
【关键词】数控机床；误差补偿；关键技术
0 前言
随着我国制造工艺精度的不断改善和提高，当前我国的制造业逐渐呈现出高精度、高集成度、高质量、智能化等特点。作为制造业操作中的重要步骤，数控机床误差补偿对制造发展具有至关重要的作用。数控机床误差补偿的关键技术主要是通过对数控机床原始误差的分析、统计、归纳，对原始误差特点和规律进行全面控制和把握。该技术通过新型误差数据模型，在很大程度上减少了原始误差，对误差数据进行最大限度的抵消。通过对数控机床误差补偿的关键技术进行研究可以有效提高数控机床的准确性，加强设备技术实施的精密性，从本质上提高我国的制造业在国际市场的竞争力。
1 数控机床误差补偿的关键技术
1.1 误差建模技术
误差建模技术主要是针对运动学模型建立的一种数控机床误差补偿技术。该技术在实际操作中主要分为误差综合建模技术和误差元素建模技术。在进行操作的过程中加工刀具和工件之间一般存在相对位移，误差建模技术对上述位移进行表示和控制，达到对元素误差的全面把握和控制。误差建模技术使用运动学模型进行表示为综合误差建模，而针对单一误差元素进行建模为误差元素建模。误差元素建模技术可以在很大程度上对机床误差进行反映，已经成为误差建模研究中的重要技术。
1.2 误差测量技术
误差测量技术的目的主要是为了提高数控机床的准确性，加强对数控机床原始数据的控制，提高原始误差参数的精度。该技术主要通过对原始误差精度进行设定，对原始误差进行直接测量或间接测量。直接测量主要是针对误差进行机械测量。通过使用不同的机械、激光测量仪等对数控机床不同位置、不同环境、不同温度等条件分别进行误差测定，加强对误差精度的控制。这种方法耗费时间长，经济浪费较为严重，一般主要应用与进行单项误差测量操作中。间接误差测量通过与误差有关的因素指标进行测量，将测量数据转化为数据模型，实现对数控机床误差的全面分析和间接推断。这种方法进行数控机床误差测量操作较为简单，操作周期较短，检验结果具有较好的准确性，因此常被用为综合误差的测量过程中。
1.3 误差的补偿实施技术
误差的补偿实施技术主要是在误差建模和误差测量的基础上完成对数控机床误差补偿操作。常见的误差补偿实施技术主要包括实时补偿和离线补偿两种。实时补偿主要是在进行实施的过程中通过硬件辅助装置将误差监测设备收集到的数据资料输入到补偿设备中，完成对数据误差的补偿设置。补偿装置可以根据自身的数据模型和数据结构等对输入的数据进行准确处理，建立有效数据系统模型，计算出误差补偿数据并根据上述数据完成对机床的实时补偿效果。离线补偿主要是根据测量到的误差对数控机床设备设定、设备数据等进行修改，确保数控机床能够依照修改后的数据进行操作，实现对自身的误差补偿实施。
2 数控机床误差补偿技术拓展
2.1 数控机床空间综合误差补偿模型建立
2.1.1 多体系统运动学基本理论
多体系统是指由多个刚体或柔体通过某种形式联结而成的复杂机械系统。多体系统主要是针对完整的制造体系进行的抽象和有效描述，可以实现对复杂机械系统的最优化研究。该系统在进行实际应用的过程中应用范围较为广泛，具有非常高的系统性，可以有效对空间误差建模，加强模型数据的实际效益和准确性。
多体系统理论的核心是对其拓扑结构的关联关系的描述和运动学和动力学特征的描述，对系统本质的高度概括和提炼，可以有效提高对数据处理的有效性和实际性。多体系统中最常见的结构为拓扑结构和矩阵变换结构。其中拓扑结构式多系统结构的基本形式，是对多体系统进行研究的基础。
2.1.2 多体系统空间综合误差模型
基于多体系统运动学理论的机床空间综合误差建模分析主要是针对数控机床加工精度、几何误差与热误差等等对数控机床进行全面控制的模型。该机床误差建模可以有效降低在制造过程中可能出现的质量问题，减少数据误差。以下主要针对三轴数控机床对基于多体系统运动学理论的机床空间综合误差建模进行分析。
2.1.2.1 系统的拓扑结构描述
在操作过程中，系统的拓扑结构主要通过对相邻体进行分析，完成系统的递推效果。在进行递推的过程中（如图1所示），要对典型体进行选取。本图选取1号体作为典型体，沿远离1号体位置方向逐次进行序号确定。如图所示，其中1号体为床身，远离左半部分为机床刀具链，远离右半部分为机床工件链，其整体形成机床刀具与工件之间的空间综合误差模型拓扑结构。
图1 三轴数控机床拓扑结构
2.1.2.2 系统低序体阵列的形式
在三轴数控机床拓扑结构建立过程中，相关人员要根据系统的低序体进行阵列，对三轴数控机床体与体之间的关系进行明确表达，提高三轴数控机床拓扑结构的清晰效果，加强数控机床误差补偿操作实际作用。具体结果见图2.
图2 三轴数控机床低序体阵列表
2.1.2.3 机床部件坐标系的建立
机床部件坐标系的建立主要指在进行系统加工模型建立的过程中，相关人员要对系统坐标、系统位置、系统理想参考系进行全面分析和研究，确保完成对多体系统中高低体关系转化为高低体坐标系关系，实现对一般多体系统中体间位置与运动问题的全面分析和把握。在进行机床部件坐标系的建立的过程中，相关人员要首先对坐标系进行准确建立，降低误差综合模型分析、建立、求解操作的难度，减少机床模型建立可能存在的误差。
2.2 数控机床几何误差项参数辨识方法
2.2.1 传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法
传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法主要包括传统激光干涉仪测量法、基于传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法等。
括传统激光干涉仪测量法可以有效解决数控机床本身运动较为复杂的问题，可以有效对存在的数据误差进行控制，在很大程度上减少逐一测量的时间，降低测量操作难度和操作量。括传统激光干涉仪测量法在进行测量的过程中可以实现对机床的线性定位误差辨识，通过对数轴滚角误差的测量，有效提高数控机床误差补偿的效果。
2.2.2 基于传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法
基于传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法可以在传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法的基础上对机床空间误差进行分析，建立误差数学结构模型，将测量线上的误差元素进行测定，对数据及相应数据模型进行分析，得到几何误差。这种方法在很大程度上降低了测量线路操作量，有效对综合误差进行测量，减少了对误差元素测量的时间。除此之外，这种方法还在很大程度上减少了测量的费用，降低了数控机床误差补偿测量过程中经济的浪费。但是基于传统激光干涉仪几何误差参数辨识方法在实际进行测量的过程中测量仪器较为复杂，一般还要用到特殊测量元件，对测量工具要求较为严格。
2.2.3 多自由度激光干涉测量几何误差参数的方法
多自由度激光干涉测量几何误差参数的方法主要是针对九线法辨识机床几何误差过程中的问题进行分析和处理，完成对多方面自由度的测量。在进行测量的过程中，该方法可以通过原有的激光干涉仪进行多自由度一次测量，同时对测量线性轴的六个误差进行分析。多自由度激光干涉测量几何误差参数的方法对X、Y、Z三方向进行同时测定，工作台同时运作，只需几个小时就可以完成全部测量工作，大大减少了测量时间。
3 总结
数控机床误差补偿技术可以有效提高机床的精度，加强机床的经济效益，对我国当前的经济发展和社会建设具有非常重要的作用。在进行数控机床误差补偿研究的过程中，相关人员要对数控机床误差补偿的关键技术进行全面把握，提高控制的准确性。要对数控机床误差补偿的关键技术进行全面分析，对数控机床误差补偿技术拓展进行深入研究，确保从根本上加强我国数控机床误差补偿效果，加快我国制造业的发展速度。
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