第8章-数控机床误差与补偿
数控机床位置精度的检测及补偿
直线运动定位精度一般都在机床和工作台空载条件下进行。常用检测 方法如图 2-3 所示。
图 2-3 直线运动定位精度检测
按国家标准和国际标准化组织的规定（ISO 标准），对数控机床的检测，
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就以激光测量（图 2-3b）为准。但目前国内激光测量仪较少，大部分数控 机床生产厂的出厂检测及用户验收检测还是用标准尺进行比较测量（图 2-3a）。
数控机床产业是制造业的基础产业和战略产业是国民经济的重要支柱 是保证国防和尖端工业发展的战略资源。
1．2 我国数控技术发展概况
我国数控技术始于 1958 年，发展历程大致有 3 个阶段：第 1 阶段从 1958 1979 年，即封闭式发展阶段，在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础 条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第 2 阶段是在国家的“六五”“七 五”期间及“八五”的前期，引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体 系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，及研究开发环境和国际 环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得 了长足的进步。第 3 阶段在国家的“八五”后期和“九五”期间，即实施 产业化的研究，进入市场竞争阶段，此阶段我国国产数控装备的产业化取 得了实质性的进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 到 50%，配国产数控系统（普及型）也达到了 10%。
数控机床误差来源分析与补偿方法
数控机床是制造业价值生成的基础，是基础制造能力构成的核心。
数控机床水平的高低一定程度上体现了制造业水平的高低。
高精度插补和动态补偿是高档数控机床需要重点开发的方向。
提高数控机床精度的方法：一是误差预防法，在设计和制造环节消除或减少可能的误差源，提高机床机械精度和动态性能，并采用良好的温度控制、隔振措施、气流扰动以及其他机床内外部环境控制手段降低误差源影响；二是误差补偿法，通过软件技术人为制造误差抵消机床原始误差。
相对而言，机械精度提高到一定程度后提升空间有限且成本高昂，且加工条件不断变化导致机床误差也会不断发生变化，必须辅以误差补偿的方法。
1 误差来源机床部件在加工制造过程中存在精度误差，装配安装过程中又会产生累积误差，使得机床最终实际几何参数和位置相对于理想几何参数和位置发生偏移，这个过程中形成的误差叫几何误差。
机床受内部热源（如切削热、摩擦热等）和外部热源（如环境温度变化、热辐射等）的影响，导致机床与标准稳态相比产生附加热变形，由此改变了各组成部分的相对位置，从而产生附加误差，此部分叫热误差。
由于机械刚性不足，机床在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下产生附加几何形变，导致机床各组成部分相对位置变化而产生的误差叫力误差。
此外，还有机床震颤引起的振动误差，数控系统性能和插补算法产生的控制误差，编码器、光栅等位置检测系统的测量精度产生的检测误差以及其他外界因素干扰造成的随机误差。
其中，几何误差、热误差及力误差3项误差占据绝大部分加工误差，是影响加工精度的关键因素。
对于高速精密数控机床，由于使用电主轴技术，几何精度和刚性均较高。
加工的零件尺寸通常较小，加工过程中的负载也相对较小。
切削力引起的误差在总加工误差的比例，相对于几何误差和热误差也较小。
因此，本文主要介绍几何误差和热误差的测量和补偿。
2 误差测量与补偿方法误差补偿的类型按照补偿实时性分为非实时误差补偿和实时误差补偿。
非实时误差补偿中，误差的检测和补偿是分离的。
数控机床几何误差
数控机床几何误差前言提高机床精度有两种方法。
一种是通过提高零件设计、制造和装配的水平来消除可能的误差源，称为误差防止法(error prevention)。
该方法一方面主要受到加工母机精度的制约，另一方面零件质量的提高导致加工成本膨胀，致使该方法的使用受到一定限制。
另一种叫误差补偿法(error compensation)，通常通过修改机床的加工指令，对机床进行误差补偿，达到理想的运动轨迹，实现机床精度的软升级。
研究表明，几何误差和由温度引起的误差约占机床总体误差的70%，其中几何误差相对稳定，易于进行误差补偿。
对数控机床几何误差的补偿，可以提高整个机械工业的加工水平，对促进科学技术进步，提高我国国防能力，继而极大增强我国的综合国力都具有重大意义。
1几何误差产生的原因普遍认为数控机床的几何误差由以下几方面原因引起：1.1 机床的原始制造误差是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差，是数控机床几何误差产生的主要原因。
1.2 机床的控制系统误差包括机床轴系的伺服误差（轮廓跟随误差），数控插补算法误差。
1.3 热变形误差由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。
1.4切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。
这种误差又称为“让刀”，它造成加工零件的形状畸变，尤其当加工薄壁工件或使用细长刀具时，这一误差更为严重。
1.5 机床的振动误差在切削加工时，数控机床由于工艺的柔性和工序的多变，其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域，从而激起强烈的颤振。
导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
1.6 检测系统的测试误差包括以下几个方面：（1）由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差；（2）由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。
1.7 外界干扰误差由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
数控机床加工误差原因及对策分析
数控机床加工误差原因及对策分析数控车床为零件加工的主要方式，对于零件加工具有较高的自动化水平，但是就实际情况来看，零件加工经常会因为设备自身或者操作不当等因素限制，而造成工件精度达不到专业要求，存在一定误差。
零件加工精度最终由机床刀具与零件间相对位移误差决定，因此需要确定加工误差存在的原因，以降低误差为面对，采取措施进行优化。
本文选择经济性数控机床为对象，就其加工误差与优化对策进行了简要分析。
标签：数控机床；加工误差；补偿0 引言数控机床零件加工经常会因为各项因素的影响而出现误差，即加工后零件实际几何参数与设计几何参数间存在一定偏差，导致零件精确度不能满足设计要求，最终只能作为不合格或者废品处理。
以提高数控机床加工精确度为的目的，需要对各类加工误差原因进行分析，有针对性的采取措施进行处理，对存在的误差进行有效补偿。
1 数控机床加工误差分析经济性数控车床对零件的加工，应用为步进电机开环伺服系统或者半闭环伺服系统来驱动刀具，在这个过程中就会因为受各项因素的影响而存在加工误差。
一方面，数控机床自身因素。
主要是因为数控机床所用构件精确度较低，以及机床装配过程中存在误差，导致零件加工后精确度达不到设计要求。
针对此种误差原因，一般可以就高精度零部件进行更换，以及在装配环节做好控制，争取提高机床自身精确度。
另外，对于部分技术能力可以达到要求的企业，还可以选择对步进电机构成的开环伺服系统进行适当的改造，使其成为闭环伺服系统，来提高零件加工精度[1]。
另一方面，工艺操作因素。
部分零件在加工过程中，会因为机床以及零件本身的热变形，造成切削、振动、装夹、磨损等细节存在误差。
想要对此类误差进行补偿，需要建立补偿模型在CNC系统内补偿，实施难度比较大，对提高数控机床零件加工精确度需要重点研究。
2 数控机床加工误差原因与对策分析2.1 数控机床自身原因2.1.1 控制系统误差（1）开环控制系统。
开环控制系统并未设置反馈装置，数控信号为单向流程，并不能对移动部件实际位移量进行测量与反馈，进而会影响对加工过程中所存误差的调整。
数控机床误差与补偿
误差补偿法
通过软件或硬件方法，对机床的热变形进行补偿，减小或消 除热误差对加工精度的影响。
04
几何误差补偿
几何误差来源与分类
01
制造误差
由于机床零部件制造精度不足导致 的误差。
热误差
由于机床运行过程中温度变化导致 的误差。
03
02
装配误差
电气误差补偿
通过调整电机的电气参数，如电 流、电压等，来减小或消除由于 电机性能差异和传动系统误差引 起的误差。
传感误差补偿
通过使用高精度的传感器来检测 机床的实际位置和姿态，并将这 些信息反馈给控制系统，以实现 误差的实时补偿。
软件补偿
数学模型补偿
通过建立机床的数学模型，并利用软件算法对模型进行优化，以减小或消除误差。这种方法需要精确的数学模型和高 效的算法支持。
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几何误差补偿方法
硬件补偿
通过改进机床零部件制造和装配精度来降低几何误差。
软件补偿
利用数控系统软件对几何误差进行补偿，如螺距误差 补偿、反向间隙补偿等。
复合补偿
结合硬件和软件补偿方法，通过优化机床结构设计和 改进控制系统实现更精确的几何误差补偿。
05
运动误差补偿
运动误差产生机理
机械传动误差
由于数控机床的机械传动系统（如丝杠、齿轮等）存在制造和装 配误差，导致运动过程中产生误差。
自适应补偿技术
总结词
自适应补偿技术是一种能够自动调整和 优化补偿参数的误差补偿方法。
VS
详细描述
传统的误差补偿方法通常需要人工设定和 调整补偿参数，操作复杂且精度不高。自 适应补偿技术能够根据加工过程中的实时 反馈信息，自动调整和优化补偿参数，实 现动态误差补偿，进一步提高数控机床的 加工精度和稳定性。
数控技术第二版课后答案
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床三者如何区别答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床各有何特点答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
第8章-数控机床误差与补偿ppt课件
得机床反向间隙误差D
反向间隙测量
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8.4 间隙误差补偿
8.3 热误差补偿
二、热误差的测量 1、主轴热变形的测量 温度传感器
位移传感器
∆z
主轴系统热误差测量
首先在主轴表面布置多个温度传感器 在主轴端面布置非接触式位移传感器，让主轴连续运行，
同时采集各温度传感器温度信号和位移传感器位移信号 在主轴端面布置接触式位移传感器，让主轴连续运行一段
时间后，记录一次各温度传感器数据，测量一次热变形。 20 数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology
按误差的性质分类 上述误差按误差的性质分类： 几何误差属于静态误差，热
误差属于准静态误差，摩擦误差和动态误差属于动态误差，间 隙误差虽然属于机械系统误差，但其在机床运行时表现出来， 比较特殊。
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正向运动
负向运动
D D/2 D/2
O
Xtab
无间隙
D
解决方案：
采用高精度的滚珠丝杠
安装丝杠时进行预紧
用数控系统指令补偿间2隙6
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数控机床空间误差补偿与应用
数控机床空间误差补偿与应用摘要数控机床精度要求的不断提升，逐渐向精密加工发展，因此从对数控机床精度提升角度进行研究，分析了三轴数控机床的各个直线轴误差及三个轴线之间的空间误差关系，对几种误差补偿方法进行综合分析。
从空间误差补偿的角度研究对机床精度的提升，对空间中三个轴线之间的本身误差以及它们之间的误差进行补偿，从空间三维多角度保证机床的精度，同时也是对补偿方法的应用及验证。
关键词：误差；精度；空间误差；误差补偿引言对于数控机床这种基础制造工程技术的发展伴随而来的就是对加工精度要求逐渐由粗加工到精加工再到超精密加工的过程，在这个过程中数控机床的精度发展技术对精密以及超级精密加工尤为重要，通过减少单动环节增加联动过程的误差减小来确保精度的精密程度以及可靠运行的过程。
之所以被称为精密或者超精密加工这都跟工作母机即能达到精细精度的数控机床有着千丝万缕的关系，甚至可以说精密的数控机床决定了加工工件的精密程度等级。
在以往的精密加工过程中往往通过数控机床的装配原件的基准实现，这样的机床生产过程所需时间之长，产量低，从而影响精密技术的发展脚步。
在加工中出现的误差难以避免并消除，通过提升机床装配部件精度的方法不能一直持续进行，因为这种提升程度有限，到一定程度之后就难以进步。
自动化控制技术以及软件技术的飞跃发展，能逐步实现通过微小的进给位移消除在加工过程中产生的误差，从而实现精密加工的保证。
现代的误差补偿技术大多都是随着数控机床的控制系统而进步，不同的数控系统虽然对误差的计算方法及补偿的原理不同，但能实现的效果却是一致的，误差补偿技术的不断持续发展，从多方面补充了因机床元件到达一定程度之后对精度提升没有效果的不足。
做好误差补偿工作对机床精度提升有重要的作用，也是对提升我国工业基础的关键技术，可以减少硬件投入的资金，增强装备制造的能力的重要环节。
1 空间误差分类与定义1.1轴线误差机床X、Y、Z轴运动时，分别产生6项基本误差及三项垂直度误差。
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差,发生振荡
➢ 用数控系统指令补偿间隙
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8.4 间隙误差补偿
二、间隙误差的测量
➢ 根据光栅反馈值与位置指令之差，测得机床反向间隙误差D ➢ 根据激光干涉仪测得的机床实际位置与位置指令之差，测
2. 几何综合误差建模
首先根据机床结构类型，建 立机床坐标系和各运动部件坐 标系。
然后运用齐次坐标变换方法 ，计算得到机床的几何综合误 差模型：
x x (x) x ( y) x (z) y z (x) z y (x) z y ( y) z xz y y (x) y ( y) y (z) z x (x) z x ( y) x xy z yz z z (x) z ( y) z (z) y x (x)
得机床反向间隙误差D
反向间隙测量
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指令位置
-
电机指令位置
+
显示位置
K0、tanβ、P0
选择开关
运动控制 位置反馈
独立 补偿装置
RS232
PLC
温度采集
热误差补偿模块结构框图
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8.3 热误差补偿
五、热误差补偿实验
文件格式：基准轴、补偿轴、初始位置、终点位置、补偿点距 离、补偿点的补偿值； 文件可包含多个补偿数组，同一个基准轴可补偿多个补偿轴
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8.2 几何误差补偿
几何误差补偿方法原理图
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8.1 概述
二、误差补偿原理 1、几何误差和热误差补偿原理
几何误差和热误差属于静态或准静态误差，因此可通过修正插 补指令来实现，方法为：
插补指令 位置
CNC
dCurCmdPos []
25
8.4 间隙误差补偿
一、间隙产生原因及影响
Xencoder
正向运动
产生原因：
➢ 机床滚珠丝杠与螺母副之间存
D
在间隙，不能紧密接触，产生 轴窜动。 ➢ 随着机床的使用，磨损逐渐加 负向运动 剧，产生间隙。
D/2 D/2
O
Xtab
无间隙
影响： D
➢ 工作台反向运动时电机空转而 解决方案：
工作台并不运动，造成±D/2 ➢ 采用高精度的滚珠丝杠 的定位误差，影响机床精度 ➢ 间隙过大时，动态响应特性变 ➢ 安装丝杠时进行预紧
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8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化
17
8.3 热误差补偿
一、热误差的分类 1、按热误差的表现分类
伺服参数不合理造成的的误差
伺服参数优化后结果
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8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化
0-4通道测温点数据和主轴热误差数据
热误差补偿现场
∆Z=-82.0940-0.5159×T10.3879×T3+6.4780×T9
热误差补偿结果
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8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化
dGerErrData[]
几何误差 补偿模块
dRealCmdPos[ ]
总线 接口
dTmpErrData[ 热误]差 补偿模块
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伺服 驱动
8.1 概述
2、间隙和摩擦误差补偿原理
8
8.2 几何误差补偿
一、几何误差分析与建模 1. 几何误差分析
按几何误差的类型分类
➢ 移动误差 定位误差，水平直线度 垂直直线度
➢ 转动误差 滚转误差，俯仰误差，偏摆误差 任一物体在空间中都具有六个自由度，即沿空间坐标轴X、Y
、Z直线方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。 以X轴为例，移动误差包括水平直线度误差，垂直直线度和定位 误差 ，转动误差包括滚转误差，俯仰误差和偏摆误差。
Ex(x) Ey(x) Ez(x)
Ex( y) Ey( y) Ez( y)
Ex(z) Ey(z) Ez(z)
轴向误差
轴向几何误差主要是定位误差。 轴间几何误差主要是垂直度误差。
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8.2 几何误差补偿
二、几何误差测量 1、螺距/光栅误差
对于螺距测量，将测量行程 平均分为N个点，然后激光干涉 仪运动到第n个点，获得此点的 正方向误差，并在该点多次测量 求误差平均值，形成双向误差补 偿数据。
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8.3 热误差补偿
三、热误差建模
通过热误差测量可得到多个测温点的温度值和热误差值，
由于测温点比较多，所以需要对测温点进行优化，找出热敏感
点，然后用线性回归的方法建立误差值与热敏感点之间的函数
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8.3 热误差补偿
二、热误差的测量 2、进给轴热变形的测量
温度传感器
温度传感器
温度传感器
进给系统热误差测量
∆x
➢ 首先在丝杠两端轴承和螺母副处布置温度传感器
➢ 让机床工作运动一段时间，采用光栅或激光干涉仪测量进 给轴某位置处的定位误差
和俯仰误差εz (x) ；
2）沿Y轴移动与沿Z轴移
动同理，因此X、Y、Z三
个线性轴共有18项误差
3）3轴之间的垂直度误差εxy、εzx、εyz
三个线性轴共21项误差
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8.2 几何误差补偿
8.2 几何误差补偿
2、轴向、轴间误差测量
右图是对角线法测量原 理图。
测量3组对角线，解方 程组，可得到所需的补偿 值： Ex(x)、Ex(y) 、 Ex(z) 、Ey(y)、Ey(x)、 Ey(z)、Ez(z) 、Ez(x) 、 Ez(y)。
利用激光干涉仪测量机床各个轴的21项几何误差项，再经过转 换形成单轴误差补偿数据和轴关系误差补偿数据。
关系。
分组后的 温度数据
误差数据
计算温度变量间的相关系数
关联分组 计算温度变量与热 变形间的相关系数
典型温度变量选择
计算复相关系数 Rp2
建模温度变量选择
模糊聚类方法 优化测温点
模型精确性
不好
好
优化处理
Kx K0 (T ) tg (t).(Px P 0)
8.3 热误差补偿
四、热误差补偿方法
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8.2 几何误差补偿
三、几何误差补偿
首先利用测量得到的数据 建立补偿表文件(文本文件)， 系统启动时将补偿表文件读入 数控系统，建立补偿数组。机 床返回参考点后，利用查表+ 线性插值等方法，在每个插补 周期对插补指令进行修正。
8.3 热误差补偿
一、热误差的分类 2、按热误差发生的部位分类
∆z
主轴系统热误差
∆x 进给系统热误差
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
➢ 主轴系统热误差与工作台位置无关，只与温度相关
➢ 进给系统热误差除了与温度相关之外，还与工作台的当前
位置相关
因此，需要根据不同的热误差形式进行补偿
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机床误差包括几何误差、间隙误差、热误差、摩擦误差和 动态误差五类。 按误差产生原因分类
上述误差按误差产生原因分类： 几何误差和间隙误差属于 机床本体误差，热误差、摩擦误差和动态误差属于机床运行误 差。
按误差的性质分类 上述误差按误差的性质分类： 几何误差属于静态误差，热
误差属于准静态误差，摩擦误差和动态误差属于动态误差，间 隙误差虽然属于机械系统误差，但其在机床运行时表现出来， 比较特殊。