数控机床误差补偿技术研究的发展趋势

在国内外有关学者的不懈努力下，误差补偿技术已有了很大的发展，在各方面的应用也越来越广泛。但是，由于机床各种误差有着复杂多变的特性，误差的产生是一动态过程，具有分布参数非线性、时滞的特点。误差的大小，从统计角度分析，其特点是非正态分布和不平稳的。误差也往往不是孤立出现的，而是伴随着热、力等众多因素。误差还具有多维坐标耦合效应，一个方向发生变化后，其他方向将受到关联，这也给误差补偿带来了困难。从另外一个角度看，误差补偿技术涉及面较广，包括数控技术、检测技术、传感技术、信号处理技术、微电子技术、材料技术、计算机技术和控制技术等。所以误差补偿技术还不是很成熟，有很多问题待解决，很多理论待完善，很多技术待提高。从目前的发展状况及数控机床误差补偿的要求来看，数控机床误差检测与补偿技术的发展趋势主要体现在如下一些方面。

1.多误差高效检测方法

数控机床、加工中心空间误差的快速检测是20多年来此领域的一个重要研究问题，也是一个未能很好解决的测量问题。众所周知，高速高精度下数控机床的（复杂）运动轨迹误差直接影响着被加工对象的几何精度，能否确切地掌握该误差是进行在线补偿加工的必需。现有关于数控机床误差测量的传统方法主要包括基于直线运动轨迹的激光干涉仪和基于圆运动轨迹的球杆仪（DBB）为代表的直接测量方法，和各种1D、2D及3D标准加工件作标准为代表的间接测量方法。现有方法存在安装调整困难、测量时间长、测量辨识结果不唯一、难以溯因等种种困难，难以适应现场在线、高效高精度的快速测量需求，限制了数控机床误差精密检测和补偿的实际大规模应用。2008年CIRP国际生产工程学会（关于机床制造、精度检测、精密加工的最高国际学术会议）仍然将数控机床和坐标测量机的误差检测方法与补偿作为大会主题报告，提出在可预见的未来10年内数控机床多误差的高效检测方法仍然是重要的研究课题。目前该领域的前沿研究领域包括数控机床误差的组合轨迹测量方法的研究、五轴机床旋转轴几何误差的快速测量R-TEST装置的研究与发展等。

同时，由于机床误差，特别是热误差取决于诸如室温、机床工况（主轴转速和进给速度等）、切削参数、切削液、加工周期等多种因素，再加上机床热误差呈现非线性及交互作用，导致数控机床热误差的检测和辨识通常需要很长时间。因此，机床热误差的高效鲁棒建模与辨识，建立一个能够适合不同机床、不同切削条件、不同季节，相对稳定的鲁棒性强的误差补偿模型，也是未来关于机床误差检测方面的重要研究课题。

2.多误差的综合补偿

现有的误差补偿技术，往往都是针对数控机床的某项或某几项误差元素，如研究较为广泛的几何误差、热误差等，而数控加工精度的影响因素众多，单靠某几项误差补偿难以有效消除数控加工过程中产生的众多误差。此外，数控机床的许多误差元素相互耦合、相互影响，单一的误差补偿可能会造成过补偿问题。因此，在机床几何误差和热误差补偿的同时还必须考虑切削力和刀具磨损等引起的误差，并且建立各误差之间的耦合关系。在补偿研究中，目前大部分还没有考虑到切削力及刀具磨损所引起的误差。一般都假定在传统的精加工中切削力很小所导致的变形可以忽略。然而，随着强力切削应用的增长，或在一些难加工材料切削中，切削力及刀具磨损误差变得重要起来，故很有必要进行机床几何误差、热误差、切削力误差、刀具磨损误差的综合补偿。这里的主要问题是如何建立包括机床几何误差、热误差、刀具磨损误差、切削力误差等分别属于静态误差（几何误差）、准静态误差（热误差、刀具磨损误差）、动态误差（切削力误差）等不同性质误差的综合数学模型，并能实现上述误差的解耦补偿。

3.多轴误差的实时补偿

现有的建模手段多采用离线建模的方法，无论是神经网络理论还是各种先进算法都是采用离线训练的方法来获得误差模型，然后根据误差模型进行误差补偿的。这种补偿方式属于静态补偿，对于加工过程随机出现的误差无法感知和预测，补偿更无从谈起。因此，需要开发一种在线实时的误差补偿系统，可实时辨识误差并根据需求建立动态的误差模型。与此同时，目前的研究与实践比较多的集中在三轴数控机床上，而随着五轴数控机床的普遍使用，为获得更好的加工精度或补偿效果，对于多轴机床，特别是带有回转工作台的五轴数控机床，其动态实时补偿及其实施和应用是必不可少的。

4.实时补偿控制系统的网络化、群控化

随着制造业规模的不断扩大，企业对数控机床的拥有数量也不断增加，而传统的误差补偿只能采用单机版的方式，无法通过上一层的操作平台对多台数控机床的补偿实时信息进行监控和调整。而且，传统的补偿建模方法必须相关技术人员现场实际测试并建模后，将模型导入相关的补偿系统硬件中才能完成。这样就使得误差模型的建模工作只能由专业人员在工业现场来完成，既不经济，效率也低。因此，通过互联网络实现远程数控机床误差建模、模型下载以及模型调整，增强误差补偿技术的灵活性是未来一段时间内数控机床误差补偿系统的发展方向之一。

5.补偿的智能化与开放化(www.xing528.com)

随着智能技术的日益成熟，数控机床将向智能型方向发展，而误差补偿技术也将会融入智能化的轨道。目前的数控系统是指令式数控系统。随着智能技术的发展，智能型数控系统将会在不久的将来诞生。而这种智能型数控系统本身将会集成误差补偿系统，会根据各误差元素对总误差的贡献以及总误差对加工精度的影响智能取舍，有时甚至会制造一些误差去抵消当前成为问题而又无法辨识的误差因素。因此，智能化误差补偿将是数控机床误差补偿技术发展的宏观趋势。与此同时，在将来的纳米甚至更精密的数控加工中，数控机床的加工精度将会部分或全部依赖于误差补偿技术。误差补偿系统需要与各种数控系统实时交互，达到底层程序互容共享的目的。这同时也要求开放的数控系统，整个误差补偿系统与原有的数控系统均需要具有开放的控制接口，打破现有数控系统的封闭、独立和垄断。

著者经过十余年专心致志、持续不断地对数控机床误差补偿技术的研究，取得了系统性的研究成果，主要成果如下：

1）提出了数控机床综合误差数学模型的建立方法，并提出了三轴数控机床全部四种结构的统一综合误差数学模型，以正确描述位置误差在机床三维运动空间中的分布，并将不同结构数控机床误差数学模型统一在同一个数学模型中。

2）提出了温度测点在机床上的优化布置方法和在众多温度元素中选择关键温度元素的方法，使得数控机床热误差（或主轴热漂移误差）数学模型的精确度更高，鲁棒性更好，而且热误差数学模型中的温度元素更少。

3）提出了机床主轴热漂移误差的多种建模方法，并提出了位置误差既是几何误差（与机床运动位置坐标有关）又是热误差（与机床温度有关）的复合误差的建模方法。

4）提出了五轴数控机床误差实时补偿策略，建立了五轴数控机床误差补偿数学模型。

5）开发了数控机床误差实时补偿控制系统，高效、精确、经济、方便地实现了多误差（几何误差、热误差、力误差等）实时补偿，大幅度提高了机床加工精度。

6）开发了适用于国产数控系统的实时误差补偿功能模块，使得实时补偿在国产数控系统的机床上也可实施和应用。

7）将实时补偿技术实施和应用于多家企业的批量数控机床，可提高机床精度50%～90%。