数控机床精度控制与误差补偿

1、目录第一章 绪论-1第二章 数控机床-22.1 数控机床概述-22.1.1 数控机床的工作原理-22.1.2 数控机床的硬件构成-22.1.3 数控机床的特点-22.1.4 数控机床的分类-22.2 多轴数控机床-3第三章 误差分析-53.1 误差源-53.2 误差源分类-53.2.1 测量系统的误差-53.2.2 控制系统误差-53.2.3 刀具系统误差-63.2.4 机床结构系统误差-6第四章 精度控制-84.1 误差建模-84.2 误差检定-94.2.1 误差检测-94.2.2 误差辨识-9第五章 误差防止-115.1 几何误差防止-115.2 热变形误差防止-115.3 伺服误差防止-

2、125.4 振动与环境误差防止-135.5 检侧误差防止-14第六章 误差补偿-15第七章 总结-18参考文献-19数控机床精度控制与误差补偿分析第一章 绪论数控技术和数控机床的诞生开创了控制和生产领域的新时代，给机械制造业带来了一次新的技术革命。数控机床以自动化程度高、柔性好、加工精度高等优点在现代制造业特别是复杂零件加工中己得到广泛应用，并在迅速发展和普及。随着经济全球化，国内外市场竞争日趋激烈，用户对产品提出了优质、可靠、安全、功能多样化、结构精细化的要求越来越严格，消费者需求的个性化越来越迫切，迫使制造业能够进行多品种、小批量的柔性生产，制造业向精度更高、品种更多、批量更小、成本更低以

3、及周期更短的生产方向发展成为一种必然选择，采用数控机床是制造业适应这种发展趋势的重要途径。同时，随着现代科学技术的迅速发展，现代科学技术与机械制造科学技术的结合，为机械制造业适应这种发展趋势提供了重要的理论和实现的技术基础，为了满足各种加工生产需要，人们把电子技术、计算机技术应用到机械加工行业，设计了各种数控机床，使数控机床得到了空前快速的发展，数控机床己成为现代制造技术的基础和核心，也是柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、智能化制造系统(IMS)及工厂自动化(FA)的基本组成单元。数控机床的合理设计与使用直接维系着产品质量的高低，而衡量数控机床设计与使用过程中性能优劣的重

4、要指标是数控机床的精度。数控机床精度通常指机床定位至程序目标点的精确程度，通常是机床空载情况下在数控轴上对多目标点进行多回合测量后通过数学统计计算出来的。数控机床的精度指标主要包括加工精度、定位精度、重复定位精度和回转轴精度等，其中加工精度是衡量数控机床工作性能的非常重要的精度指标，而数控机床的加工精度受到机床结构、装配精度、伺服系统性能、工艺参数以及外界环境等因素的影响，随着对数控机床加工精度要求不断提高，如何使数控机床加工精度控制在所追求的目标范围内，则是一个需要不断研究的重要课题。数控机床的误差是指机床按某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异。误差产生的原

5、因主要是机床的几何误差、运动误差、温度误差和力学误差,而其中占主导地位的是几何误差中具有重复性的部分。所以，对这类几何误差的测量、分析和补偿就成为了研究机床误差的工作重点。机床空间误差补偿的一个重要内容是怎样先将误差分解到各个运动轴上，然后对机床运动的指令位置进行修正,且不影响数控软件中位置环的控制周期。这就要求补偿软件的处理速度不能太慢,特别是对于高精高速的数控机床，补偿处理的速度要求更高。因此，研究一种快速有效的空间误差测量和补偿方法，其意义十分重大。第二章 数控机床2.1 数控机床概述2.1.1 数控机床的工作原理：数控机床是采用了数控技术的机床,它是用数字信号控制机床运动及其加工过程。

6、具体地说,数控机床加工零件时,首先根据所需要加工的零件的形状特征和所要求的尺寸来编制零件的数控程序,这是数控机床的工作指令。通过使用MDI键盘、个人计算机、PC卡和手持文件盒等外部I/O设备,将数控程序输入到数控装置,经过进行相应的译码、运算和逻辑信号处理后,发出指令,自动控制机床主运动的变速、起停、进给运动的方向、速度和位移大小,以及其他诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却润滑的启、停等辅助动作,使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序路程和参数进行精确的动作,从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。2.1.2 数控机床的硬件构成：数控机床一般由输入/输出设备、数控装置(CN

7、C) 、伺服单元、驱动装置(或称执行机构) 、可编程控制器( PLC)及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图1为数控机床的硬件构成。图1 数控机床的硬件构成2.1.3 数控机床的特点： 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的，它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比具有以下明显特点：适合于复杂异形零件的加工，加工精度高，质量稳定可靠，柔性好，生产效率高，劳动条件好，有利于现代化管理，投资大使用费用高，生产准备工作复杂，维修困难。2.1.4 数控机床的分类：数控机床的品种很多，根据其加工、控制原理、功能和组成，可以从以下几个不同的角度进行分类。按

8、加工工艺可分为普通数控机床和加工中心，按运动方式可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机车，按控制方式可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统，按联动轴数可分为两轴联动、三轴联动和多轴联动。2.2 多轴数控机床 数控机床发展到今天，己经形成了一个种类繁多的庞大体系，就是否拥有闭环约束而言，可以区分为带闭环约束的并联机床和无闭环约束的串联机床，串联机床因其控制简单、结构清晰、应用范围广，最早被广泛应用于制造业的生产实践中，也是目前使用范围最广、拥有数量最多、门类最齐全的加工机械。串联机床根据加工应用的需要可以拥有数量不等的伺服轴，如单轴、二轴、三轴及三轴以上，通常把三轴以

9、上机床统称为多轴机床。零件的机械加工是在机床上通过刀具与零件的相对运动并构成切削完成的，我们称这类相对运动为成形运动，其形式和稳定性决定了零件形状和精度，而将参与完成形运动的机床部件总称为成形系统，刀具上直接参与切削的点称为成形点，成形点在工件坐标系中坐标的形式称为刀具轨迹。另外，刀具姿态在机床成形运动中也可能发生变化，固定在刀具上的矢量在工件坐标系中坐标的形式称为刀具姿态轨迹。成形运动有理想运动和实际运动之分，因此刀具轨迹也有理想刀具轨迹和实际刀具轨迹之分。多轴数控机床中成形系统共有工作台定位、平动进给轴及转动进给轴、主轴单元、装夹和床身等部件组成。如，对于三轴数控机床，成形系统共有工作台定

10、位、X轴平动、Y轴平动、Z轴平动、主轴单元、装夹和床身等7个部件。根据多轴数控机床主轴方向的不同可以分为立式和卧式两大类，还可以根据多轴数控机床进给运动轴之间的关联关系对多轴数控机床进行进一步分类。根据进给运动轴之间的关联关系的区别，三轴立式机床分为FXYZ型、XFYZ型、XYFZ型和XYZF型；三轴卧式机床又分为FXZY型、XFZY型、XZFY型和XZYF型。其中F前面的字母表示工件分支相对机床床身的平动方向，F后面字母表示刀具分支相对机床床身的平动方向，如XFYZ中F前的X表示工件所在的工作台相对机床床身可做沿X轴方向的平移运动，F后的Y、Z表示刀具所在的主轴箱相对机床床身可做沿Y轴和Z轴

11、方向的平移运动。又如，带单个回转轴的四轴数控机床和带两个回转轴的五轴数控机床是在三轴联动数控机床上叠加一个或两个回转工作台发展起来的，并一般把回转轴安装在三轴联动数控机床平动链的前后。根据回转轴与平动轴的关联关系，四轴数控机床可以分为TTTR型、RTTT型；五轴数控机床可以分为RRTTT型、RTTTR型和TTTRR型。其中T表示平动轴，因此TTT代表上述任意三轴机床；R表示回转轴，可以绕X轴回转，也可以绕Y轴或Z轴回转。因此还可以根据T和R所代表的坐标轴的不同进一步细分。多轴数控机床通过多轴联动，可以实现复杂工件型面的加工，成为数控机床发展的趋势。为了适应日益复杂的工件型面加工要求，多轴数控机

12、床己由最初的两轴联动发展到五轴以上联动。但是由于多轴数控机床随着联动轴数的增加，其机械结构和成形运动过程随之复杂，影响机床加工精度的因素及其复杂性也相应增加，如何保障和提高加工精度是一个需要深入研究的重大课题。现在的多轴数控机床，为了保证和提高多轴数控机床的运动的严格性，从机床运动学角度来看，机床成形系统某单元相对于前面的单元，其运动通常只有一个自由度的直线运动或回转运动，其余自由度都受到了约束，而提高成形运动的灵活性方法通常是增加运动单元数目和联动轴数。多轴联动数控机床特别是五轴及五轴以上联动数控机床是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段，代表着一个国家机械制造业数控技术发展的最

13、高水平。而精密、超精密多轴数控机床是进行精密、超精密复杂零件表面加工的必要手段，与其他它精密、超精密加工技术并列成为当前制造技术学科的重要分支，是一个国家精密制造能力强弱、制造水平高低以及科学技术水平的重要标志，成为在国际竞争中取得成功的关键技术。随着微电子、电力电子、航空航天等尖端科学技术的兴起，对精密、超精密产品、零件产生了强烈的需求，更加速了机械加工技术的精密、超精密加工技术的发展。数控机床技术的迅速进步大大推进了精密、超精密加工技术的发展，使加工精度提高到了一个新的台阶。当前，精密加工的加工精度达到了l-0.1m、表面粗糙度达到了0.1-0.025m，超精密加工的加工精度已高于0.1m

14、、表面粗糙度已小于0.025m，而超精密切削加工己达到尺寸精度为0.01-0.001m，表面粗糙度Ra0.001-0.004m的水平，标志着超精密加工己进入纳米级精度阶段，而这些成就的取得在相当程度上得益于数控机床技术的发展。第三章 误差分析3.1 误差源 数控机床加工精度受到机械、电气、工件材料、加工工艺以及环境等诸多因素的影响，靠单一的精度控制方法不能或很难保证数控机床的加工精度，为此人们研究了多种精度控制理论和方法来提高数控机床的精度。一般而言，数控机床的加工误差来源于以下几个方面：机床的零部件和结构在制造和装配时产生的几何误差，包括零件尺寸误差和装配误差；机床内、外部热源引起的热变形误

15、差；机床自重、切削力变形及由于动刚度不足产生的振动误差；机床轴系伺服系统产生的伺服跟随误差；数控插补算法产生的插补误差；其它误差，如外界振动、湿度、气流变化等产生环境误差以及检测系统中产生的检测误差等。影响加工精度(其由刀具相对于工件的最终位置精度决定)的因素很多，主要包括：机床结构的几何误差(部件的加工误差和装配误差)、热特性、主轴误差、刀具磨损、静承载和工件夹具。根据误差的表现形式，机器误差通常分为两大类：确定性误差(可表达与不可表达)和随机性误差(相关与非相关)。3.2 误差源分类如将数控机床视为一个系统,各组成部分按功能划分，则影响机床加工精度的误差源为：3.2.1 测量系统的误差 影

16、响测量系统误差的主要因素有以下三个： (1)测量基准的误差和测量装置安装的倾斜、自重变形等引起的误差； (2)测量尺安装的阿贝(Abbe)误差。当被测对象在测量中和测量尺在同一轴线时，才能进行准确的测量，这就是阿贝提出的测量原则。但在加工过程中运动有六个自由度，即三个平动自由度和三个转动自由度，除少数测量仪器如千分尺外，很难将测量尺布置得与工件被测尺寸在同一轴线上； (3)测量线路误差。在测量线路中，外界磁场的干扰、温升和元件性能以及震荡频率的变化等都会引起测量误差。在半闭环的数控伺服系统中，位置检测器如旋转脉冲编码器本身也会产生误差。3.2.2 控制系统误差 在数控机床中，控制系统包括从编程

17、到数据的存储、分配、计数和比较，用以驱动伺服机构。这种控制系统的误差主要反映其稳态时的性能，其中有系统的不灵敏度、零点飘移和稳态误差等。 系统的不灵敏度反映在输出脉冲的增加或丢失，这种现象将使工作台少移动或多移动了指令要求的位移量，形成定位误差。系统的零点漂移是指系统输入稳定而输出呈现出波动现象，引起机床工作台位移的变化。系统的稳态误差是指系统有输入信号以后，经过一段时间，输出信号与输入信号之间的误差。这在轮廓加工的控制系统中尤为重要。在闭环系统中，输入信号与测量信号反馈到比较环节中进行比较，当存在有信号差时，系统继续运动；当信号差小到低于系统灵敏度时，系统即停止运动。在这些系统中，这种跟踪误

18、差对定位过程是不起作用的，但对连续运动的轮廓加工则会产生误差。3.2.3 刀具系统误差刀具系统给加工带来的误差由刀具磨损、刀具的热伸长、换刀安装的对中误差和刀具的弹性变形等。3.2.4 机床结构系统误差机床结构系统的误差即为几何误差，包括机床各部件工作表面的几何形状和相互位置误差。在机床的设计、制造和装配过程中，结构的残余不规则性，造成机床的系统误差。这种误差我们称之为几何误差，是由位置传感器的非线性、机器零件相对运动的非正交性和测量过程中每个机器零件运动的非直线性引起的。而由于振动、测量系统和反向误差引起的定位不重复性则可视为机床的随机误差。机床的主要组成部件为导轨及溜板(工作台)，它们的误

19、差是机床准静态误差的主要误差源，其中以导轨的形位误差对定位精度的影响较大。在定义这些误差时，我们总是假定各部件为刚体。(1)导轨精度通常称物体在空间运动有六个自由度，是指物体的任何运动都可分解为沿空间坐标系三个方向的移动和绕三个移动方向的转动。导轨的功用就在于控制运动部件的五个自由度，仅容许沿需要的方向运动，且要保证溜板或工作台运动的方向精度。这包含两方面的意义：首先是溜板的运动轨迹偏离理想直线的程度，这取决于导轨的直线度，为了测量方便，分别是在垂直平面内和水平面内分别加以控制；其次是溜板在运动过程中的倾斜，这取决于两根导轨在垂直平面内的平行度。所以，不论导轨的组合属于何种形式，其基本精度都是

20、指以下三项：垂直平面内的直线度；水平面内的直线度；垂直平面内的平行度(又称扭曲度)。其中，垂直平面内的直线度是为控制溜板在运动过程中的高低起伏，它的作用除保证溜板运动的方向精度外，还为保证溜板与导轨的良好接触。导轨在水平面内的直线度，会直接影响所加工零件的几何精度，对于如车床等加工圆柱形零件的机床，其影响的程度远超过垂直平面内的直线度误差。扭曲度会影响溜板与导轨之间的良好接触，对所加工零件的几何精度也有直接影响。 (2)溜板(工作台)运动精度溜板运动的精度控制主要是指要控制溜板在运动过程中的倾斜，即溜板绕空间三根坐标轴的旋转。故倾斜有三项，对应于导轨的三项基本精度，现分别分析如下：溜板绕纵轴(

21、x轴)的倾斜：一般称其为滚转角，床身两根导轨在垂直平面内平行度误差的反映，也就是通常所说的扭曲度，即当前进方向上两侧的导轨不等高时，部件就会绕前进方向的轴线转动； 溜板绕横轴(y轴)的倾斜：一般称其为俯仰角，此项倾斜是床身导轨在垂直平面内直线度误差的反映，即当机床的导轨面在其前进方向上不平时，将引起工作台的颠摆； 溜板绕立轴(z轴)的倾斜：一般称其为偏摆角，此项误差是床身导轨在水平面内直线度误差的反映，即当两导轨不平行时，运动部件将在导轨面的垂直方向上转动。 (3)部件移动相互间垂直度误差机床部件可能包含相互垂直的三个方向上的移动-垂直方向、纵向和横向。部件移动方向之间的垂直度误差，决定于导轨

22、面之间的垂直度误差。当导轨面与底面不垂直时，主轴上下移动一段距离后，主轴在工件上的定位误差为。 (4)加工过程中的热误差加工过程中产生的热，使得机床各部件的温度发生变化，由于各部件的温度变化规律和速率不同，以及同一部件上各点的温度变化不均匀，使得部件产生变形，最终造成刀具与工件的相对位置发生改变，其结果表现为各坐标轴出现附加位移，故可将这类误差归于几何误差类。据此，几何误差模型同样适用于热误差的描述。第四章 精度控制数控机床误差补偿的两项关键技术-误差建模及误差检定。4.1 误差建模误差建模(又称精度建模)，是建立精度控制的优化模型，分为误差运动学建模和误差辨识建模。误差辨识建模属于误差检定的

23、范畴，下面另有叙述。在机械加工中，机床加工精度最终是由机床上刀具与工件之间的相对位移决定的。机床误差运动学建模也称机床精度建模，是对与机床上每一运动副有关的误差成分，使用合成方法来计算刀具与工件之间的相对运动的误差。在机床误差和零件误差之间并不存在一种可使互相转化的量化的方法，只能尽可能精确地建立起由机床误差计算零件精度的模型，因此至今尚未建立起完全理想的运动学模型，也给机床精度建模研究提供了广阔的空间。误差补偿就是在加工过程中，补偿系统根据机床精度模型和实时反馈(如温度、位置、切削力等)预报机床的最终误差，并实时补偿该误差。误差补偿技术最初只针对机床单项误差源(如主轴回转精度、导轨直线度等)

24、进行改进，并不需要机床精度数学模型，这对于机床加工某些简单零件时实行误差补偿是可行的。随着机床结构和零件加工型面的复杂化，机床运动副的误差通过运动传递作用于刀具和零件的相对位置关系中，而这种误差传递一般不是等价传递的，必须建立适当的数学模型来描述这种误差传递关系，因而正确的数控机床精度模型是进行误差补偿的基础。另外，数控机床精度模型也给机床精度分析、精度分配、精度评定、误差检测与辨识带来了方便。研究数控机床的加工精度，基础的问题是全面充分地分析的数控机床成形系统的各项误差源，研究产生误差的原因、分布性质、传递函数和误差合成计算模型。到目前为止，数控机床精度建模和误差补偿以静态误差和准静态误差为

25、主，对于动态误差如主轴回转误差、机床位置伺服系统的跟踪误差一般不作考虑，这在普通及精密数控机床中是允许的。对于超精密机床，静态误差往往不是主要矛盾，对机床动态精度的分析与建模，并进行补偿就显得格外重要。尤其是当机床的精度要求很高，而位置伺服系统性能较差，精度受系统非线性因素影响较大时，采取适当的补偿措施，可以有效地弥补位置伺服系统性能的不足，提高机床精度。同时，这些机床精度模型为进行机床精度分析和运动误差检测、补偿提供了一定的基础，但是由于存在适用范围小、没有通用性以及易产生人为推导误差等问题，未能从根本上解决机床误差建模的通用性问题。对高柔性、高精度和高自动化的机械加工设备和系统，进行运动误

26、差分析、建模和补偿研究，快速、准确地建立复杂机械系统运动误差模型，是解决复杂机械系统运动误差分析和补偿问题的关键，是实现复杂机械系统软件误差补偿的首要任务。虽然数控机床精度建模是进行数控机床运动设计、精度分析与设计、误差控制的基础环节，对数控机床精度的关注和研究伴随着机床发展和应用研究的整个历程，涌现了多种不同的建模方法，但是迄今为止尚未有一种规范性、系统性、通用性和完整性的建模理论，建模工作需要针对具体机床采用不同的方法进行，不仅增加了机床精度建模的人力、物力浪费，而且限制了精度建模理论的应用效果。近年来针对复杂机械系统的有误差运动，发展起来了一种多体系统理论。由于多体系统理论对复杂机械系统

27、较强的概括能力和特有的系统描述方式，可全面考虑影响系统的各项因素及相互祸合关系，因而广泛适用于复杂机械系统运动误差建模。由工作台、滑座、床身、立柱、主轴箱、夹具、刀架、刀具或及回转轴等部件构成的各种机床，本质上就是一个复杂机械系统，因此非常适合采用多体系统理论进行研究，并且基于多体系统运动学理论对机床精度建模，建模过程具有程式化、规范化、假设条件少、通用性好、便于计算机快速建模等诸多优点。4.2 误差检定误差检定包括误差检测和误差辨识。为了对数控机床的误差进行全面准确的预测和补偿或全面准确评价机床性能，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，这远非一件易事。误差检

28、测与辨识不仅是误差评定的基础，是机床精度评定工作的重要内容，而且是进行机床精度预报和误差补偿的又一关键技术。4.2.1 误差检测误差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，可以使用诸如激光干涉仪、机械方法或其它光学方法，进行高精度测量，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，例如机床热变形误差就受到加工周期、冷却液的使用、零部件热特性以及周围环境

29、等诸多因素的复杂影响，因此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。近些年来，机床综合误差检测的研究主要集中在研制新型机床运动精度检测仪上，并取得了很大突破，用于机床运动误差检测的常用仪器己形成了系列。早期形成的基准棒-单向微位移法可以用微位移计来测定装夹在主轴上的圆柱型基准棒与设置在双向工作台回转轴上参考点距离的变化。4.2.2 误差辨识误差辨识即是误差间接估计，就是首先用仪器测量出与所要辨识检定的误差成分相关联的中间量，然后通过精确、有效的

30、误差辨识数学模型估计出要检定的误差成分。因此误差辨识要求测量出的中间量具有可溯性，既能够找到由之得到所要检定的误差的有效求解方法。虽然单项误差直接检测精确、简单明了，但需要测量仪器多、有时更耗时，甚至不可能。在工程中，有许多误差参数难以进行直接检测，通过对其它可测参数的检测来间接估计所关注的误差是一种不可或缺的方法，因此误差辨识在机床误差检定中占有重要的地位。目前，机床的热误差、力变形误差等就常采用间接估计方法来获取。机床误差间接估计可分为两种途径:一种是最终误差(往往是综合误差)溯源，另一种是误差映射。通过对机床最终综合误差的检测进行误差溯源是间接估计机床单项误差的重要途径之一。虽然误差辨识

31、提供了一种快速和有效估计机床单项误差分量的方法，但是此时建立起能精确辨识原始误差的误差辨识模型则成为一个关键性问题。机床误差间接估计通常需要建立合适的误差辨识模型，因此为了用误差辨识方法精确鉴定出机床原始误差，需要解决好检测参数及其检测仪器和误差辨识建模两大课题。误差辨识法研究的另一成果是基于一维球列法、球板法和双频激光干涉测量仪，对机床工作区特定方向或区域的部分综合误差进行检测，开发了多种通过精确、简便、有效的数学模型来溯源机床各单项误差的误差辨识方法。这类方法由于误差辨识精度高、速度快、简便实用，受到了广泛欢迎。一维球列法和球板法分别一组和多组球度误差很小的球排列而成，测量操作简单，误差溯

32、源计算量少，已在坐标测量机误差评定和补偿中得到了很好应用。双频激光干涉仪是一种高精度的测量仪，广泛用于精密、超精密机床误差检测。围绕在机床误差检测中如何更好地应用双频激光干涉测量仪，开发了22线法、15线法、14线法、9线法等多种位移法。位移法的基本思想是通过测量工作区内空间直线方向上的空间位移误差，运用适当的误差分离技术来辨识机床各单项误差。位移法的最大特点是将误差直接测量和误差分离技术有机结合起来，对不同类型的误差采用不同的辨识方法，从而达到用最少的测量线数来实现高精度、快速辨识数控机床进给系统的全部几何误差的目的。但是上述位移法仍存在一些可改进的不足，如22线法测量多，对点数有严格要求，

33、要采用循环求解或遍历求解方法，存在严重的误差传递性，且采用了假设误差值总和为零的不规范条件。间接估计是机床热误差辨识的主要方法。机床热误差往往是温度和位置的非线性函数，选择适当的温度传感器安装位置是机床热误差辨识的关键。目前在几乎所有的热误差辨识系统中，温度传感器安装位置是凭经验和试凑来确定的。经验法不能保证温度传感器安装位置的科学性，试凑法虽然只能增加一定程度上的准确性，还会耗费大量的时间和温度传感器的数量。因此温度传感器在机床上安装位置是热误差辨识的主要障碍。目前，机床热误差辨识建模方法己出现多种，如由于受非线性因素制约，几乎所有的文献都使用高阶多项式和神经网络模型，模型的输入为在机床不同

34、位置适当布置的热传感器，输出为模型预测的热变形。为了神经网络的准确性，模型的训练需要在尽量宽的工况下进行。第五章 误差防止为了提高数控机床加工精度，可以采用误差防止和误差补偿两种措施。误差防止是通过合理的机床设计、零件加工、机床装配、环境控制和使用来消除或减少可能的误差源。该方法从机床设计制造各阶段开始，采取精化措施，提高设计精度，优化机床系统的结构配置，减少机床自身的各种误差和表现误差。误差防止是保障数控机床加工精度最根本、最有效的手段。数控机床的几何误差来源机床零部件的形状误差和装配误差，因此在机床加工和装配阶段，必须采取适当的工艺方法及质量控制措施，以减少机床几何误差。另一方面，加工过程

35、中切削力变形和热变形等与机械结构存在密切的联系，因此在数控机床特别是精密、超精密数控机床制造过程中，应当重视数控机床结构的刚度和传热特性，以减少机床热变形误差和振动误差，此外，在加工过程中热变形等与环境因素有着密切的关系，高稳定性的加工环境是保证加工精度的重要因素，因此对数控机床特别是精密、超精密数控机床的工作环境须采取适当的环境保障措施。数控机床比普通机床增加了伺服误差和插补误差，因此在数控机床设计过程中，应采取合理的伺服控制和插补计算方法，以减少伺服误差和插补误差。5.1 几何误差防止机床几何误差的研究伴随着机床产生和发展的全过程，因此已有了相当长的历史。实际上，在机床发展的初始阶段，提高

36、加工精度的主要方法就是通过提高机床自身的几何精度来实现。机床各零部件的几何误差最终均将反映在被加工工件的加工误差上，因此机床每一个零部件的几何误差都是关注的对象。防止和减少机床各零部件在制造和安装过程中的几何误差的措施主要是改进工艺和采用新材料。就几何误差而言，在机床各零部件中，其中构成机床的关键部件-主轴和导轨，其几何精度的高低对数控机床的加工精度起着决定性影响，因此为了提高数控机床的精度，许多国家投入了大量的人力、物力用于研究和开发高精度的主轴轴系和导轨。近年来，一方面，随着滚动轴承、液体静压轴承、液体动压轴承、气体静压轴承以及磁浮轴承的成功研制和应用，机床主轴的回转精度得到了大幅度提高，

37、回转误差不超过0.01m；另一方面，随着新型滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和空气静压导轨的成功研制和应用，使机床导轨的直线度误差小于0.05m /1000mm，进而大大提高数控机床的精度，为进行精密、超精密加工提供了极为重要的物质基础。5.2 热变形误差防止热变形误差产生的过程为：发热部产生热量，热量通过接触面向周围传递，最终导致机床关键部件变形，从而产生误差。与之相对应，防止和减少热变形误差的方法有三种：降低热源；控制热流；热稳定结构设计。在精密、超精密加工领域，机床几何精度己经很高，此时的热变形误差成为影响机床加工精度的最主要因素之一，降低热变形误差则是提高加工精度的最好方法。这需要对环

38、境条件如温度、湿度等进行严格的控制。必要时可采用空气静压轴承或磁浮轴承，以减少摩擦和由此产生的热量。机床主轴单元功率大、发热严重，且其径向跳动和轴向窜动均直接反映在加工工件上，必须采用冷却措施使其温度不致大范围变化。热流控制有被动热流控制和主动热流控制之分。被动热流控制是将绝热物插入机床主要结构中(如机身、头架等)，以控制热流，试图使每一单元热变形均匀。在被动热流控制中，绝热物不仅阻碍了热流，而且也形成了很好的温度场。适当地安装绝热物，可以是机床温度场和热流敏感性得到改善。主动热流控制使用外部热源来改善机床的热变形，一方面使不对称温度分布化为对成分布，从而降低机床结构的热变形；另一方面也大大减

39、少了精密机床的预热时间。热稳定结构设计通过改变机床结构和热源设计一来消除热的影响。对机床热性能机理的研究及基于此提出的各种热变形理论为在设计阶段优化机床的热特性提供了理论支撑。但是，由于热变形误差受电机和运动副所产生的热量以及切削力、环境温度、冷却系统等诸多因素的影响，并且与机床各部分的热特性有关，使得热变形情况极为复杂以及机床连接处热源和边界条件存在很大的不确定性，从而进行热变形误差理论计算时，导致了计算的热变形结果与实际情况往往有明显的差异，必须通过实验对计算结果进行考核，使一些在实验室可行的方案难以用于生产实践。目前尚缺乏一种精确的热变形误差计算方法，相关研究还需进一步深入。5.3 伺服

40、误差防止伺服系统是数控机床的重要组成部分，伺服系统的静态和动态特性的优良直接影响着机床的定位精度、加工精度和位移速度。伺服系统的误差是数控机床的主要误差源之一。由于数控机床伺服轴的运动不是人工控制，而是通过伺服电机及其传动机构来进行驱动的，而伺服电机则由数控加工程序指令来控制，因此伺服系统的结构和工作特性复杂，导致伺服误差的复杂变化。在多轴联动数控加工过程中，伺服系统处于非常频繁的加减速状态，使伺服误差发生更为复杂的变化，最终影响到工件的加工误差，伺服误差变化的复杂性更增加对其控制的难度。在数控机床加工控制中，各轴伺服系统准确跟踪指令的能力起着非常关键的作用。随着高精度、高速度加工的日益发展，

41、对各轴伺服系统的跟踪性能提出更为严格的要求，特别是在当今超精密中，对各轴伺服系统性能的要求到了极为苛刻的程度，靠常规控制方法已及难实现。对于多轴数控加工，任意伺服轴的运动轨迹的偏差或故障会引起整个运动规律的变化，产生轮廓加工误差，因此各轴伺服系统不但要有很高的位置跟踪能力，还要有极高的可靠性和稳定性。目前伺服误差控制研究的侧重点分为单轴伺服系统性能和多轴伺服系统综合性能的改善和提高两方面，伴随着产生开环控制和闭环控制两种不同方法：(1)开环控制方法：开环控制的加工精度由机床零部件的精度来保证，采用直线度非常理想的导轨(如液体静压导轨、气体静压导轨等)，更高回转精度的主轴(如液体静压主轴、气体静

42、压主轴等)，高性能的电机(如Dynasery电机，其最小输出脉冲可达2.53角秒)，以及各种精密驱动方式(如滚珠丝杠、静压丝杠、摩擦驱动、直线驱动等)，提高机械系统的响应速度和定位精度。根据开环方法设计的机床结构简单，如果加工过程的状态可以事先预知，并可以用适当的方法达到，则反馈是多余的，所以可以采用开环结构。这种单纯依靠提高机床零部件的性能来提高机床机械系统的运动精度的方法适用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床的伺服系统控制，在精密加工中也可采用。但是，由于机械系统中普遍存在摩擦和间隙，在低速运动时会产生爬行现象，反向运动时产生反程差。为了提高位置精度，机械传动系统还需要足够的联接刚度以克

43、服弹性变形。要克服这些非线性因素的影响，开环方法是以更高的成本为代价的，更高精度意味着更高的成本。另外开环控制易受机械变形、磨损、温度变化、振动及其它因素的影响，系统稳定性难以调整，对传动部件精度、性能稳定性及使用过程的温差变化需要有很好的保障措施。(2)闭环控制方法：闭环控制有分为全闭环控制方法和半闭环控制方法。全闭环和半闭环控制系统具有一致的结构，二者差异只是位置信号检测点有所不同，前者的位置信号检测点是最终运动部件(机床工作台或刀架)，检测信号的是最终运动部件的实际位置，而后者的位置检测信号检测点是坐标运动的传动链中的某处机械传动部件(如伺服电机)，检测信号是该传动部件的运动参数，再将其

44、转换为位置信号，因此全闭环系统环内包括较多的机械传动部件，理论上具有比半闭环控更高的控制精度。目前，半闭环控制系统在普通和精密机床中使用较多，全闭环控制方法则多用于应用于超精密机床上。 上述超精密机床的闭环控制都采用前馈加PID控制方法，这种传统控制方法稳定性好、可靠性高，PMAC运动控制板就是这种控制器的代表。超精密数控系统要求有纳米级运动分辨率，因此要求有更短的插补周期(小于1ms)和控制周期(小于0.1ms)。此外，针对超精密加工特点，需要多轴联动生成高次曲线、曲面，在传统控制算法的基础上，采用交叉耦合控制、最优预见控制(OPC)、逆补偿滤波器(IKF)控制、滑模控制、陷波及前馈等方法，

45、可以较大地提高跟踪精度。另外，适应控制(AC，Adaptive Control)技术开始在数控机床伺服系统中得到应用。适应控制就是使机床能随加工过程中切削条件的变化，自动调节切削量，实现加工过程最佳化的自动控制。适应控制技术己形成了约束适应控制(ACC，Adaptive Control Constraint)、最佳适应控制(ACO，Adaptive Control Optimization)和学习适应控制(TAC，Trainable Adaptive Control)等多个分支。5.4 振动与环境误差防止在数控机床发展的初期，人们虽然早已认识到机床振动及环境条件对加工精度的影响，但由于加工精度

46、要求比较低，振动及环境误差的影响并不明显，因此对振动及环境误差的研究未受到重视。应该说，对振动及环境误差问题的研究真正开始于精密、超精密加工的兴起。对于普通加工，机床振动及环境波动引起的误差在机床加工误差所占分量很小，因此对机床地基及周围加工环境没有严格的要求。但是，对于精密、超精密加工，机床振动严重影响到加工工件的加工表面粗造度以及会影响0.1m级的尺寸精度，给机床加工精度造成了很大危害，必须予以限制。防止和减少振动误差的措施是降低机床内部和外部振源的影响。为了减少机床内部振源的影响，须提高机床零部件的加工精度，对于机床中的回转零件要进行严格的动平衡，或者选择低速加工以减少回转件不平衡的影响

47、;为了减轻或消除来自机床外部振动的影响，必须采取合适的机床基础和防振装置，得到成功应用的防振装置已有橡胶隔振器、金属弹簧、G型隔振器及压缩空气热等。另外，在精密、超精密加工中，对加工环境有着严格的要求，空气中的温度、尘埃、湿度、气压以及气流都有可能危及加工精度，因此要求对加工环境进行防尘、除湿等净化处理，并保持温度和气压的恒定。国外如美国已形成了加工环境的净化标准，我国的相关标准尚在研究形成阶段。5.5 检侧误差防止数控机床加工过程中进行检测与监控越来越普遍，装有各种类型的检测、监控装置。位置检测装置则是数控机床闭环伺服控制系统必不可少的重要组成部分。闭环伺服控制的数控机床的加工精度主要取决于

48、检测系统的精度。为了满足各种不同闭环伺服控制及加工精度的需要，人们研制了多种位置检测装置，如回转型的脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、多速旋转变压器、绝对脉冲编码器、三速圆感应同步器以及直线型的直线圆感应同步器、计数光栅、磁尺、激光干涉仪、三速感应同步器、绝对值式磁尺等。另外，还研制了一些监测手段如红外(IR)、声发射(AE)、激光检测装置等来对刀具和工件进行监测。误差防止对精度的提高受当时技术发展水平的限制，且当加工精度要求较高时，采用误差预防的费用将呈指数增加，同时，高精度机床维护费用非常高昂，精度在使用过程中容易丧失。因此，用误差防止法提高加工误差是有限度的。第六章

49、误差补偿误差补偿是通过检定机床各种误差或分析误差成因，依据检定结果及误差模型对机床各坐标轴的运动进行适当的修正来提高机床精度。随着工件加工精度的提高，单纯依靠通过提高机床零部件质量(加工精度、刚度与热特性等)、降低内部热源发热量、严格控制加工环境和使用条件来减小机床加工误差的误差防止措施，在技术上变得越来越困难，在经济上变得越来越难以承受。误差补偿技术的应用则是摆脱这一困境的根本性措施。同时，误差补偿技术的发展和应用突破了只有精密机床才能加工精密零件的传统观念，为利用数控机床加工精度比机床自身精度更高的工件创造了条件。机床误差补偿的基本思想就是人为地造出一种新的误差去抵消或大大减少当前成为问题

50、的原始误差，通过测量、分析、统计及归纳等措施掌握原始误差的特点和规律，建立误差补偿数学模型，尽量使人为造出的误差与和原始误差二者的大小相等、方向相反，从而减少加工误差，达到理想的运动轨迹，提高零件的加工精度。与误差防止法不同，误差补偿技术将众多形成机床加工误差的因素视为一个不知其相互间作用内情的黑箱，只针对它最终出现的几何误差值予以自动修正。误差补偿的关键是建立起正确的机床误差模型和能准确检定出机床误差。根据误差来源，误差补偿可以分为随机误差补偿和系统误差补偿两种。随机误差补偿要求在线测量，把误差检测装置直接安装在机床上，在机床工作的同时，实时地测出相应位置的误差值，用此误差值实时地对加工指令进行修正。随机误差补偿对机床的误差性质没有要求，能够同时对机床的随机误差和系统误差进行补偿，但需要一整套完整的高精度测量装置和其它相关的设备，成本高。系统误差补偿是用相应的仪器预先对机床进行检测，即通过离线测量得到机床工作空间指令位置的误差值，把它们作为机床坐标的函数。机床工作时，根据加工点的坐标，调出相应的误差值以进行修正。该方法要求机床的稳定性好，保证机床误差的确定性，以便于修正，经补