数控机床误差补偿技术及研究现状
数控机床综合几何误差的建模及补偿研究
关键词：数控机床
综合几何误差模型
误差检测与识别
误差补偿
快速检测装置
III
华
中
科
技
大
学
博
《2024年多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究》范文
《多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究》篇一一、引言随着制造业的快速发展，多轴数控机床作为现代制造技术的重要组成部分，其精度和效率直接影响到产品的质量和生产效率。
因此，对多轴数控机床的精度建模与误差补偿方法进行研究，具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在探讨多轴数控机床的精度建模及误差补偿方法，以期为提高机床的加工精度和稳定性提供理论支持。
二、多轴数控机床精度建模多轴数控机床的精度建模主要包括几何精度建模和运动学精度建模两个方面。
几何精度建模主要关注机床各部件的几何形状、尺寸和相对位置等参数对机床整体精度的影响；运动学精度建模则主要关注机床运动过程中各轴的运动轨迹、速度和加速度等参数对加工精度的影响。
在几何精度建模方面，需要综合考虑机床的机械结构、传动系统、导轨系统等因素，建立准确的数学模型，以便分析各因素对机床精度的影响。
运动学精度建模则需要基于机床的运动学原理，建立各轴的运动方程，分析各轴在运动过程中的动态特性，以及其对加工精度的影响。
三、误差来源及分析多轴数控机床的误差来源主要包括机床本身的制造误差、装配误差、热误差、切削力引起的误差等。
这些误差会导致机床的几何精度和运动学精度下降，从而影响加工质量。
因此，需要对这些误差进行深入分析，找出其主要来源和影响因素。
四、误差补偿方法针对多轴数控机床的误差，可以采取多种补偿方法。
其中，误差预测模型法、神经网络法、模糊控制法等是较为常用的方法。
这些方法可以根据不同的误差来源和影响因素，建立相应的预测模型或补偿算法，对机床的误差进行实时补偿。
具体而言，误差预测模型法可以通过建立机床误差与各影响因素之间的数学模型，预测机床的误差值，并进行实时补偿。
神经网络法则可以利用神经网络的学习和记忆能力，对机床的误差进行学习和预测，并实现自动补偿。
模糊控制法则可以利用模糊控制理论，对机床的误差进行模糊化处理，并实现精确补偿。
五、实验研究为了验证所提出的误差补偿方法的有效性和可行性，需要进行实验研究。
关于数控机床误差补偿技术问题
关于数控机床误差补偿技术问题摘要本文通过概述现时国内外数控机床误差补偿技术的现状，对其中一些存在问题进行了分析和探讨，针对相关问题和技术难点，进行了理论性的归纳和总结。
关键词数控机床；误差；补偿技术0引言误差对于数控领域而言，是客观上必然存在的。
任何数控机床设备在操作过程中，由于客观事实存在的各种因素影响，不可能有百分百的精确度。
在科学技术不断进步的今天，人们不断致力于提高数控机床加工生产的精确度。
1数控机床误差补偿技术研究现状国内外对于数控机床误差补偿技术的历史和研究上有较大差距。
其中，国外最早发现机床的热变并且进行相关研究的国家是的瑞士。
该国在1933年就发现机床的热变形是影响数控机床定位精度的重要原因，并由此开始了数控机床误差检测、建模和补偿技术等方面的研究。
现时国内的数控机床误差补偿技术处于高速发展阶段，数控机床误差补偿技术有望尽早从实验室搬到工业中去实践和应用。
2关于数控机床的误差数控机床在生产过程中的误差主要有几何误差、热误差及切削力误差三种，几何误差一般是指加工原理、工件装夹、调整、机床导轨导向、机床传动、刀具、机床的主轴回转等方面，由机床装置的制造、装配缺陷等造成的误差；热误差是指数控机床在生产过程中，由于温度的变化，导致工艺系统中诸如刀具等部件出现变形，使工件和机床部件之间的相对位置和运动关系发生变化（热变形），从而造成的误差；切削力误差是指由于刀具磨损、工艺系统的受力变形、工件残余应力引起的变形等各种改变原动力因素影响下所发生的动力误差。
在总加工误差当中，这三项误差占总误差的80%左右，是影响加工精度的主要因素。
2.1机床的几何误差每一台数控机床都必定存在几何误差数值，产生误差数值的范畴包括了加工原理误差（在生产中最为常见，往往出现在刀具结构简单的机床上，是由于采用成形运动或以刃口轮廓进行工件加工过程中所产生的误差。
）由于夹具的安装、定位、松紧所造成的工件装夹误差、关于加工尺寸的调整误差，还有机床导轨导向误差、机床传动、刀具结构变化、机床的主轴回转误差等等方面，都属于工件生产过程中的几何误差。
数控机床误差补偿技术及其运用
第43卷第12期时代农机2016年12月V o l.43N o.12 TIMES AGRICULTURAL M ACH INERY D e c.2016数控机床误差补偿技术及其运用唐宁宁(齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161000)摘要:要提高制造业的竞争力，就必须提高我国制造业的技术发展，满足当代社会对制造业更高的制造精度、更 高的产品质量以及更加智能的操作要求和发展方向。
数控机床误差补偿技术是提高制造业数控机床加工精度的重要手 段，减少在生产过程中的误差产生，增加了生产效益，提高我国制造业的行业竞争能力。
关键词：数控机床;误差补偿;技术;运用中图分类号:TG659 文献标识码:A文章编号:2095-980X(2016)12-0014-01CNC Machine Tool Error Compensation Technology and Its ApplicationTANG Ning-ning(Qigihar No.2 Machine Tool (Group)Co.,Ltd.,Qigihar,Heilongjiang 161000,China) Abstract ：To improve the competitiveness of the manufacturing industry，it should improve the technical development of China's manufacturing industry to meet the high precision of manufacturing in contemporary society，the high quality of products and the requirements ofmore intelligent operation and development direction.Error compensation technology for NC machine tool is an important means to improve the machining precision of NC machine tool manufacturing industry.Reducing errors in the production process and increasing production efficiency can improve the competitiveness of China's manufacturing industry.Key words:CNC machine tools;errorcompensation;technology;application在当今的现代化社会，科技成为了社会发展的主要动力，机械也成为了工厂的主要工作力量。
数控机床热误差建模及补偿技术探讨报告
很大代价才能达到的精度水平，满足了一定的精度要求，又降低了仪器和设备制 造的成本，具有显而易见的经济效益。因此，热变形误差补偿技术以其强大的技 术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅猛发展和推广。 热误差补偿目前有两种方法：温度场补偿法和位移补偿法。温度场补偿法是 指在某些关键部位安装一些加热元器件或者在某些构件内加入可流动循环的冷 却液，并且对这些温度点进行监测和控制，使温度场的温度得到平衡，使之达到 减少或消除热误差的目的。但是不足之处是难以对每个热误差点进行有效的控 制。位移补偿法是通过对每个坐标轴附加位移来补偿因为热误差}fU 导致刀具和 工件间的偏移误差。这种补偿法是现在使用最多的一种方法。1975 年，口本的 Okushima 公司提出利用温度检测位移补偿法，并将此方法应用于数控加工中心 来实现热误差补偿。80 年代中期，柏林工业大学将这种位移补偿法应用在数控 机床上， 在不同主轴和不同进给速度下试验得出了热误差和特征点之间的关于温 度的函数关系，并建立了误差补偿模型，只需要知道特征点的温度用补偿模型就 可以得到补偿值，然后经过数控机床的伺服进给系统附加位移来实现补偿。 目前，数控机床热误差补偿技术的研究主要体现在以下几个方面： （1）数控 机床热误差温度检测点的选择，即温度传感器摆放位置的研究及检测技术的研 究； （2）获得建立精确性比较强的数控机床热误差补偿的数学模型的研究； （ 3） 数控机床热误差实时补偿技术推广应用的研究。 目前国内外学者对这些方面问题做了大量的研究， 在温度检测点的选择方面 常用的方法有： （1）逐步线性回归方法； （2）热误差模态分析方法； （3）模糊聚 类分析方法； （4）灰色系统理论的关联度分析方法。在机床热误差补偿建模方面 突破常规建模思路，采用 BY 神经网络和 RBF 神经网络及改进的神经网络等非 线性方法，可以更好的解决了数控机床误差补偿的应用问题。
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。
机床加工过程中误差成因及补偿方法分析
机床加工过程中误差成因及补偿方法分析摘要：在数控机床加工过程中，通常会由于加工过程中产生的热、施加力、尺寸测量、控制系统及定位不精准等因素导致零件的加工尺寸产生出入。
在目前的数控机床中，通常会采用补偿控制技术以抵消或减弱上述误差，在数控机床产生以来，补偿控制就随之出现，如何提高加工过程中的精度始终是该领域中的重要课题。
关键词：机床加工；误差类型；补偿方法1数控机床的概述及加工误差优化的重要性1.1数控机床的概述数控机床（Numerical Control MachineTool）是一种采用数字化控制技术的机床。
通过编程，将加工工艺的各项参数转化为数控指令，输入到数控系统中。
数控系统按照预设的程序，通过伺服驱动系统驱动机床各运动部件实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。
数控机床具有加工精度高、自动化程度高、生产效率高、加工范围广等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车、模具等领域的零件加工。
1.2加工误差优化的重要性加工误差优化在数控机床加工过程中具有极高的重要性。
优化加工误差不仅有利于提高零件的加工精度，确保产品质量，还可以提高生产效率，降低制造成本，从而增强企业的市场竞争力。
2数控机床加工误差的类型及成因2.1机床导轨误差机床导轨误差是指在机床的制造、装配和使用过程中，由于导轨表面的磨损、凹凸不平、制造加工误差、装配调整误差、污染、温度变化等因素引起的位置误差。
导轨误差对机床的加工精度和稳定性产生严重影响，可能导致加工件精度下降、表面质量劣化、加工速度减慢、工具寿命缩短等问题。
制造过程中的加工误差是导致导轨误差的重要原因，包括材料变形、工艺偏差、加工质量不佳等因素。
2.2丝杠与滚珠丝杠副误差丝杠副误差是指在制造、装配和使用过程中因加工误差、装配误差、磨损、变形等因素引起的丝杠副位置误差。
丝杠误差会影响数控机床定位精度和运动精度，降低机床加工精度和稳定性。
在制造过程中，丝杠的加工误差是导致丝杠误差的主要原因之一。
数控机床误差测量与实时智能补偿关键技术及应用
数控机床误差测量与实时智能补偿关键技术
及应用
随着工程制造业的发展，数控机床逐渐取代了传统的机床，成为
了高效精密加工的主力军。
然而，由于数控机床存在着系统误差、尺
寸误差等问题，导致加工精度不尽如人意。
为了解决这些问题，数控
机床误差测量与实时智能补偿技术应运而生。
数控机床误差测量是指通过对数控机床加工过程中存在的误差进
行精确测量和分析，找出误差的来源及其大小，并将其量化，以便进
一步进行补偿。
通常，数控机床误差可以分为几种类型，如基础误差、运动误差、非线性误差等。
针对不同的误差类型，可以采用不同的测
量方法，如激光干涉、摆角测量、位移传感器等。
数控机床实时智能补偿是指在加工过程中实时检测误差，并通过
计算机智能算法进行补偿，以提高加工精度和加工效率。
实时智能补
偿主要包括两种方法：一种是反馈补偿，即将误差进行反馈并进行补偿；另一种是前馈补偿，即预测误差并在中途进行补偿，以减小实际
误差。
数控机床误差测量与实时智能补偿技术已经得到了广泛的应用，
其主要作用有以下几点：首先，可以提高数控机床的加工精度和加工
效率，从而提高产品的质量；其次，可以减少废品率，降低生产成本；第三，可以提高数控机床的稳定性和可靠性，从而延长设备的使用寿命。
总之，数控机床误差测量与实时智能补偿技术是数控机床加工领
域中的关键技术之一，其应用前景十分广阔。
随着技术的不断发展和
完善，相信它将为工程制造业的发展做出更大的贡献。
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杂，要考虑的参数很多，可以在后置处理中将测量 待进一步研究。
得到的误差值一并输入进行误差补偿。 国内张虎等
（1） 对 于 数 控 机 床 空 间 定 位 误 差 的 测 量 和 补 偿
提出的数控加工中心误差 G 代码补偿技术就是在 过程中，应加强对温度变化条件下这些空间定位误 9
第 32 卷第 06 期 2011 年 06 月
0 前言
差测量和间接误差测量， 直接误差测量是用机械、
当前制造领域正向高精度、高质量、高集成度 激光干涉仪和其他光学方法来测量机床不同位置
和智能化方向发展，要求必须采用高精密制造加工 和温度的条件下的误差，直接误差测量的测量精确
技术，而作为制造加工的主要设备数控机床的精度 度高，但费时费工，所以直接误差测量一般用于测
数控机床误差补偿技术及研究现状— ——伍 迪
Vol.32No.06
Kiridena 等用机构学推导了五坐标机床的空间几何 后置处理中进行的一种补偿方法。
模型。 国内主要成果有天津大学章青利用多体系统
（2）基于控制器的补偿。 该类补偿是对机床控
运动学推导了任意拓扑结构的机床误差建模方法， 制参数的设置进行补偿，如 Siemens 840D 控制器可
数控机床误差补偿技术是提高加工精度的有 效方法，该方法是通过对原始误差的分析、统计和 归纳，掌握原始误差的特点和规律，建立新误差数 学模型，人为地制造出一种新的误差去抵消或减弱 原始误差，从而实现减少加工误差、提高零件加工 精度的目的。
误差补偿的关键技术主要包括误差的建模技 术、测量技术和补偿实施技术。
标机床的几何误差建模, Schultschick 用矢量方法建
（2）误差测量技术 误差测量的目的是对机床 立了三轴坐标镗床的空间定位误差模 型 ，P.M .Fer-
原始误差参数进行精确测定，其测量方法有直接误 reira 和 C.R1L iu 推导了 二次线性 化误差模 型, V . 8
第 32 卷第 06 期
（1）基于加工程序修改的补偿。 1980 年 Koliskor 和 Thompson 根据对加工零件轮廓尺寸测量数据修 改了数控程序，但是这种方法没有解决热误差补偿 问题， 并且只有在大规模生产时才能获得较好效 果。 为了提高效率，人们开发了一些数控程序修改 软件，将编写好的程序导入修改软件即可获得新的 程序，以实现几何误差的补偿。 由于加工过程很复
（3）误差的补偿实施技术 误差的建模和测量 的最终目的是实施误差补偿，误差补偿的实施过程 可以分为实时补偿和离线补偿。 实时补偿是通过安 装在机床上的硬件辅助装置，把所获得的位置或温 度等外部数据输入到补偿装置，补偿装置根据事先 置入的误差模型计算程序实时计算出误差补偿数 据，并将这些数据输入到机床系统实施误差补偿。 离 线补偿是根据测量得到的误差来修改数控加工程 序，使数控机床按新的加工程序实施误差补偿。 2 数控机床误差补偿技术的研究现状
在数控机床误差补偿技术研究中国内外广大 学者做了大量的工作，取得了一定的研究成果。 2.1 数控机床误差建模的研究现状
国内外学者在研究中建立了大量的误差模型。 （1）几何误差的主要模型
误差建模技术的关键是寻找更为有效的模型来准
W .J .Love 和 J.Scarr 利用几何关系建立了三坐
确反映机床存在的误差。
任永强等分析了机床运动副的误差运动学原理, 利 以对温度进行补偿。 基于控制器的补偿存在的主要
用齐次坐标变换对一台包含 3 个移动副和 2 个转 问题是热误差的补偿只是通过设定热膨胀系数和
动副的五轴加工中心建立了误差综合数学模型。
测量机床的关键热源来预测运动轴的直线定位误
（2）热误差的主要模型 美国密西根大学的 J.S.Chin 等将三坐标机床的 21 项几何误差与热误差结合, 建立了 32 项热误差 参 数 模 ，Jin-Hyeon Lee 通 过 模 型 法 和 Fuzzy Logic 法来球解机床热变形，解决了需要离线调整经验模 型中补偿函数相对于位移函数和位移函数相对于 温度分布函数的缺点。 浙江大学根据热弹性理论推 导了刀具的热变形计算公式，太原科技大学李明磊 等运用粒子群优化算法的投影寻踪回归模型对数 控机床热误差进行的建模，上海交通大学杜正春等 建立了可以进行空间 5 个误差补偿量解耦计算的 误差综合数学模型等。 2.2 数控机床误差测量技术 国内外有大量文献阐述误差测量技术研究成 果，如 W.Knapp 等提出了圆轨迹测量的方法，Kaki-
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32No.06 Jun. 2011
浅谈虚拟制造技术的应用
崔 鑫 1， 时 蕾 2， 夏伯乾 1
（1. 郑州大学 机械工程学院， 郑州 450001； 2. 郑州铁路职业技术学院 车辆工程学院， 郑州 450052）
摘 要： 对虚拟制造技术进行了简要的介绍， 阐述了虚拟制造技术是实现我国制造业信息化
Based on investigation applications of virtual manufacturing technology in China and abroad, this paper
poposed some measures and countermeasures to develop virtual manufacturing technology in China.
电机 机床踏板
编码器 齿轮
补偿计算机
CNC 控制器
部分程序
补偿信号
no 的 实验室使用 双球杆仪对 机床的误 差 进 行 快 速
图 1 反馈中断补偿法原理
的圆轨迹测量，美国佛罗里达大学的 John C.Ziegert
该技术的优点是无需改变 CNC 控制软件，可用
教 授 领 导 的 研 究 小 组 开 发 内 含 激 光 跟 踪 技 术 的 激 于任何 CNC 机床。
技术，已成为提高制造水平和国际竞争力的关键技 术。 为了提高我国制造业在国际市场的竞争力，必 须提高数控机床加工精度，提高加工精度重要措施 之一是采用误差补偿技术。
本文结合国内外数控机床误差补偿技术研究 状况，介绍数控机床误差补偿的关键技术和存在的 问题，对数控机床误差补偿研究中有所启发。 1 数控机床误差补偿的关键技术
Key words: informatizition; virtual manufacturing; application; countermeasure
1 虚拟制造技术与信息化
虚拟制造不同于实际制造。 实际制造系统是物
（1）误差建模技术 分为误差综合建模和误差 元素的建模，把加工时工件与刀具之间的相对位移 误差用运动学模型表示出来就是综合误差的建模， 对某一项误差元素进行的建模就是误差元素建模。
量单项误差；间接误差测量是测量与误差相关的指 标，再用误差模型来转换成技术误差，该测量方法 是快速而有效的机床误差测量方法，所以间接误差 测量一般用于综合误差测量；
安装简单，操作容易等优点。 沈云波等提出的利用 平面正交光栅对数控机床运动误差测量、误差参数 识别和误差轨迹测绘的方法，在误差测量中取得了
齿轮 CNC 控制器
编码器 补偿计算机
良好的测量效果。
I/O 补偿信号
2.3 数控机床误差补偿技术的研究现状
部分程序
误差补பைடு நூலகம்方法的实施主要分为基于加工程序 修改的补偿和基于控制器的补偿 2 类。
第 32 卷第 06 期 2011 年 06 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32No.06 Jun. 2011
数控机床误差补偿技术及研究现状
伍 迪 1,2 （1. 西昌学院， 四川 西昌 615000； 2. 四川大学， 成都 610065）
摘 要： 介绍了数控机床误差补偿技术对工业发展的重要性， 误差的分类和误差补偿的关键 技术。 通过对国内外误差补偿技术的发展现状进行分析，提出了目前数控机床误差补偿技术存在 的关键问题。
关键词： 数控机床； 误差测量； 误差补偿 中图分类号： TH11 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）06 － 0008 － 03
Error Compensation Teachnology and Present Research Situation for CNC Machine Tools
图 2 原点平移补偿法工作原理 由于热误差在机床误差中占的比重很大，近几 年受到国内外学者的高度重视，日本学者最近提出 的“热亲和概念”能够排除因加工发热和设备环境 温度变化对加工精度的影响，使加工过程中的尺寸 精度变化非常小。
3 结语 通过对国内外误差补偿技术发展现状的分析，
目前国内外对误差补偿技术在以下几个方面还有
Abstract: This paper makes a brief introduction of virtual manufacturing technology, and explains that
virtual manufacturing technology is significant to realize manufacturing industry informatizition in China.
光球杆仪测量装置，提高了测量精度。
原点平移补偿法工作原理如图 2 所示，用原点
国内学者刘焕牢提出了一种在工业现场进行 平移补偿法实施热误差的补偿， 不影响坐标值和
单轴高精度位置误差的测量系统。 该系统用步距规 代替激光干涉仪进行轴线位置的高精度标定，具有
CNC 控制器上执行的代码程序。
电机 机床踏板
CUI Xin1， SHI Lei2， XIA Bo-qian1
（1. School of Mechanical Engineering , Zhengzhou University, Zhengzhou 450001， China； 2. School of Locomotive and