摘要：對數控機床幾何誤差產生的原因作了比較詳細的分析，將系統誤差的補償方法進行了歸納，並在此基礎上闡述了各類誤差補償方法的應用場合，為進壹步實現機床精度的軟升級打下基礎。
關鍵詞：數控機床；幾何誤差；誤差補償
前言
提高機床精度有兩種方法。壹種是通過提高零件設計、制造和裝配的水平來消除可能的誤差源，稱為誤差防止法 (error prevention)。該方法壹方面主要受到加工母機精度的制約，另壹方面零件質量的提高導致加工成本膨脹，致使該方法的使用受到壹定限制。另壹種叫誤差補償法(error compensation)，通常通過修改機床的加工指令，對機床進行誤差補償，達到理想的運動軌跡，實現機床精度的軟升級。研究表明，幾何誤差和由溫度引起的誤差約占機床總體誤差的70%，其中幾何誤差相對穩定，易於進行誤差補償。對數控機床幾何誤差的補償，可以提高整個機械工業的加工水平，對促進科學技術進步，提高我國國防能力，繼而極大增強我國的綜合國力都具有重大意義。
1幾何誤差產生的原因
普遍認為數控機床的幾何誤差由以下幾方面原因引起：
1.1 機床的原始制造誤差
是指由組成機床各部件工作表面的幾何形狀、表面質量、相互之間的位置誤差所引起的機床運動誤差，是數控機床幾何誤差產生的主要原因。
1.2 機床的控制系統誤差
包括機床軸系的伺服誤差（輪廓跟隨誤差），數控插補算法誤差。
1.3 熱變形誤差
由於機床的內部熱源和環境熱擾動導致機床的結構熱變形而產生的誤差。
1.4切削負荷造成工藝系統變形所導致的誤差
包括機床、刀具、工件和夾具變形所導致的誤差。這種誤差又稱為?讓刀?，它造成加工零件的形狀畸變，尤其當加工薄壁工件或使用細長刀具時，這壹誤差更為嚴重。
1.5 機床的振動誤差
在切削加工時，數控機床由於工藝的柔性和工序的多變，其運行狀態有更大的可能性落入不穩定區域，從而激起強烈的顫振。導致加工工件的表面質量惡化和幾何形狀誤差。
1.6 檢測系統的測試誤差
包括以下幾個方面：
（1）由於測量傳感器的制造誤差及其在機床上的安裝誤差引起的測量傳感器反饋系統本身的誤差；
（2）由於機床零件和機構誤差以及在使用中的變形導致測量傳感器出現的`誤差。
1.7 外界幹擾誤差
由於環境和運行工況的變化所引起的隨機誤差。
1.8 其它誤差
如編程和操作錯誤帶來的誤差。
上面的誤差可按照誤差的特點和性質，歸為兩大類：即系統誤差和隨機誤差。
數控機床的系統誤差是機床本身固有的誤差，具有可重復性。數控機床的幾何誤差是其主要組成部分，也具有可重復性。利用該特性，可對其進行?離線測量?，可采用?離線檢測?開環補償?的技術來加以修正和補償，使其減小，達到機床精度強化的目的。
隨機誤差具有隨機性，必須采用?在線檢測?閉環補償?的方法來消除隨機誤差對機床加工精度的影響，該方法對測量儀器、測量環境要求嚴格，難於推廣。
2幾何誤差補償技術
針對誤差的不同類型，實施誤差補償可分為兩大類。隨機誤差補償要求?在線測量?，把誤差檢測裝置直接安裝在機床上，在機床工作的同時，實時地測出相應位置的誤差值，用此誤差值實時的對加工指令進行修正。隨機誤差補償對機床的誤差性質沒有要求，能夠同時對機床的隨機誤差和系統誤差進行補償。但需要壹整套完整的高精度測量裝置和其它相關的設備，成本太高，經濟效益不好。文獻[4] 進行了溫度的在線測量和補償，未能達到實際應用。系統誤差補償是用相應的儀器預先對機床進行檢測，即通過?離線測量?得到機床工作空間指令位置的誤差值，把它們作為機床坐標的函數。機床工作時，根據加工點的坐標，調出相應的誤差值以進行修正。要求機床的穩定性要好，保證機床誤差的確定性，以便於修正，經補償後的機床精度取決於機床的重復性和環境條件變化。數控機床在正常情況下，重復精度遠高於其空間綜合誤差，故系統誤差的補償可有效的提高機床的精度，甚至可以提高機床的精度等級。迄今為止，國內外對系統誤差的補償方法有很多，可分為以下幾種方法：
2.1單項誤差合成補償法
這種補償方法是以誤差合成公式為理論依據，首先通過直接測量法測得機床的各項單項原始誤差值，由誤差合成公式計算補償點的誤差分量，從而實現對機床的誤差補償。對三坐標測量機進行位置誤差測量的當屬Leete, 運用三角幾何關系,推導出了機床各坐標軸誤差的表示方法,沒有考慮轉角的影響。較早進行誤差補償的應是Hocken教授，針對型號Moore 5-Z(1)的三坐標測量機，在16小時內，測量了工作空間內大量的點的誤差，在此過程中考慮了溫度的影響，並用最小二乘法對誤差模型參數進行了辨識。由於機床運動的位置信號直接從激光幹涉儀獲得，考慮了角度和直線度誤差的影響，獲得比較滿意的結果。1985年G. Zhang成功的對三坐標測量機進行了誤差補償。測量了工作臺平面度誤差，除在工作臺邊緣數值稍大，其它不超過1?m，驗證了剛體假設的可靠性。使用激光幹涉儀和水平儀測量得的21項誤差，通過線性坐標變換進行誤差合成，並實施了誤差補償。X-Y平面上測量試驗表明，補償前,在所有測量點中誤差值大於20?m的點占20％，在補償後，不超過20％的點的誤差大於2?m，證明精度提高了近10倍。
除了坐標測量機的誤差補償以外，數控機床誤差補償的研究也取得了壹定的成果。在1977年Schultschik教授運用矢量圖的方法，分析了機床各部件誤差及其對幾何精度的影響，奠定了機床幾何誤差進壹步研究的基礎。Ferreira和其合作者也對該方法進行了研究，得出了機床幾何誤差的通用模型,對單項誤差合成補償法作出了貢獻。J.Ni et al更進壹步將該方法運用於在線的誤差補償,獲得了比較理想的結果。Chen et al建立了32項誤差模型，其中多余的11項是有關溫度和機床原點誤差參數，對臥式加工中心的補償試驗表明，精度提高10倍。Eung-Suk Lea et al幾乎使用了同G. Zhang壹樣的測量方法，對三坐標Bridge port 銑 床21項誤差進行了測量，運用誤差合成法得出了誤差模型，補償後的結果分別用激光幹涉儀和Renishaw的DBB系統進行了檢驗，證明機床精度得以提升。