第３９卷第３期・掌术　Ｖｏ１．３９　Ｍａｒ．３　湖南农机　ＨＵＮｇＮ　ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　２０１　２年３月　Ｍａｒ．２０１　２　我国数控机床几何误差的补偿分析　

李鹏瑞　（秦皇岛市首钢长白机械有限责任公司，河北抚宁０６６３１１）　摘要：文章对数控机床几何误差产生的原因作了比较详细的分析，将系统误差的补偿方法进行了归纳，并在此基　础上阐述了各类误差补偿方法的应用场合，为进一步实现机床精度的软升级打下基础。　关键词：数控机床；几何误差；误差补偿　中图分类号：ＴＧ５０２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—８３２０（２Ｏ１２）０３—０１１７－０１　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｃｈｉｎａ　Ｓ　ＣＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｅｒｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｌ／Ｐｅｎｇ－ｒｕｉ　’　（Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　Ｓｈｏｕｇａｎｇ　Ｃｈａｎｇｂａｉ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｃｏｍｐａｎｙ，Ｆｕｎｉｎｇ　Ｈｅｂｅｉ　Ｏ６６　３１１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｅｌＴＯｌ￣ｏｆ　ＣＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ　ｍａｄｅ　ａ　ｍｏｒｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｙｓｔｅｍ　ｅｌｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｖ￣ｉＯＬＩＳ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｅ／Ｔｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｌａｙ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ｕｐｇｒａｄｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ；ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｅｒｒｏｒ，ｅｒｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

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）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。　（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。　（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。　（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。　（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。　上面的误差可按照误差的特点和性质，归为两大类：即系　统误差和随机误差。数控机床的系统误差是机床本身固有的　误差，具有可重复性。数控机床的几何误差是其主要组成部分，　也具有可重复性。利用该特性，可对其进行“离线测量”，可采用　“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿，使其减　小，达到机床精度强化的目的。随机误差具有随机性，必须采用　“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工　收稿日期：２０１２一Ｏ１—１４　作者简介：李鹏瑞（１９８５一），男，河南洛阳人。大学本科，助理工　程师，主要研究方向：机械设计制造。　精度的影响，该方法对测量仪器、测量环境要求严格，难于推　广。　２　几何误差补偿技术　针对误差的不同类型，实施误差补偿可分为两大类。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　差值实时的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，成本太高，经济效益不好。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。要求机床　的稳定性要好，保证机床误差的确定性，以便于修正，经补偿后　的机床精度取决于机床的重复性和环境条件变化。数控机床　在正常情况下，重复精度远高于其空间综合误差，故系统误差　的补偿可有效的提高机床的精度，甚至可以提高机床的精度　等级。迄今为止，国内外对系统误差的补偿方法有很多，可分为　以下几种方法：　（１）单项误差合成补偿法。这种补偿方法是以误差合成公　式为理论依据，首先通过直接测量法测得机床的各项单项原　始误差值，由误差合成公式计算补偿点的误差分量，从而实现　对机床的误差补偿。对三坐标测量机进行位置误差测量的当　属Ｌｅｅｔｅ，运用三角几何关系，推导出了机床各坐标轴误差的　表示方法，没有考虑转角的影响。较早进行误差补偿的应是　Ｈｏｃｋｅｎ教授。针对型号Ｍｏｏｒｅ　５－Ｚ（１）的三坐标测量机，在ｌ６小　时内，测量了工作空间内大量的点的误差，在（下转第１１９页）

　第３９卷第３期　曾华娟：关于帕萨特发动机故障传感检测的研究　１１９　板，使发动机回到怠速状态，紧接着再快速踩下加速踏板，又　使发动机加速到５０００ｒ／ｍｉｎ，再突然松开加速踏板，如此重复　三次。④如果爆震传器有故障，此时驾驶室内的发动机故障指　示灯将闪亮。　（２）电阻检查。在关闭点火开关的情况下，拆下爆震传感　器的导线连接器，用万用表电阻挡测量传感器信号端子与外　壳间的电阻值，正常时应不导通，为无限大；若导通，则说明其　内部有短路故障，应更换之。　（３）输出信号的电压检测。关闭点火开关，拔开爆震传感　器上的导线连接器。启动发动机并怠速运转，用万用表电压挡　检查爆震传感器的接线端子与搭铁的电压，传感器正常时应　有脉冲电压波形输出，否则说明传感器已损坏，应更换。　３　曲轴位置传感器　为了确保电子控制燃油喷射发动机能适时喷油点火，要　求控制电脑对汽车发动机内部的曲轴、凸轮轴以及某缸活塞　所处的位置加以确定，完成该项工作的是发动机位置传感器。　这类传感器为电喷控制电脑ＥＣＵ提供了最基本的参考信号，　是电控发动机最为重要的传感元件。　（１）电阻检测。关闭点火开关，拆下曲轴位置传感器的导　线连接器，用欧姆表分别测试Ｇ１、Ｇ２、Ｎｅ与Ｇ一端子间的电　阻值，正常阻值一般应在９５０—１２５０ｎ之间，反之，应更换传　感器。　（２）检查气隙。取下分电器盖，转动分电器轴，测量Ｇ转　子与Ｎｅ转子与感应线圈磁头对正时的气隙，标准值为Ｏ．２—　０．４ｍｍ，如不符合标准值，应调整或更换曲轴位置传感器。　（３）转动分电器轴，不应松旷，否则将影响输出信号的准　确性，若松旷严重，应更换分电器总成。　（４）电压检测。关闭点火开关，拔下传感器导线连接器，去　掉分电器盖，将万用表拨到交流电压挡，用两只表笔分别测试　传感器端子Ｇ１与Ｇ、Ｇ２与Ｇ、Ｎｅ与Ｇ间电压值，转动分电器　轴，测试万用表都应有脉冲电压产生（０～２Ｖ之间）。这时，说　明传感器产生信号正常，否则说明传感器损坏应更换之。　４　节气门位置传感器　为了将驾驶员的控制动作或意志能正确地反馈到控制电　脑，以便控制电脑ＥＣＵ能适时对各控制单元实施良好的控　制，以达到人的驾驶愿望与发动机较好地匹配。因此电子控制　燃油喷射发动机中，专门设有驾驶控制传感器，即节气门位置　传感器。该传感器的检测也很重要，若出现问题，将使发动　机电控部分不能正常工作，控制电脑就不能在人与发动机工　况之间起到“桥梁”的作用。　由于开关型节气门位置传感器结构简单，其内部仅相当　于一个简单的电位器，因此它的故障往往是导通与不导通，故　单体检测应从以下入手：①关闭点火开关，拔下节气门位置传　感器上的导线连接器，用万用表欧姆挡测试各端子的通断睛　况；②关闭节气门，此时怠速节气门位置端子“ＩＤＬ”（即“ＩＤＬ”　与“ＶＣ”或“Ｅ”之间）应导通；③打开节气门（全开或接近全开）　时，大负荷节气门位置端子“ＰＳｗ”（即“Ｐｓｗ”与“ＶＣ”或“Ｅ”之　间）应导通；④当节气门处于其它位置时（最好在小于５０％时　测量），两信号端子都应不导通。　若检测结果与上述要求不一致，则应调整或更换节气门　位置传感器。传感检测方法的应用为汽车发动机的故障诊断　提供了新的途径，弥补了传统诊断方法的诸多不足，但各种单　一的智能故障诊断技术都有各自的优缺点，难以满足复杂诊　断问题的全部要求，将多种不同的技术结合起来的混合诊断　系统可以克服单种诊断方法的不足，将各种诊断方法的优势　结合，是故障诊断技术研究的一个热点和发展趋势。　（上接第１１７页）此过程中考虑了温度的影响，并用最小二乘　法对误差模型参数进行了辨识。由于机床运动的位置信号直　接从激光干涉仪获得，考虑了角度和直线度误差的影响，获得　比较满意的结果。１９８５年Ｇ．Ｚｈａｎｇ成功的对三坐标测量机　进行了误差补偿。测量了工作台平面度误差，除在工作台边缘　数值稍大，其它不超过１　ｍ，验证了刚体假设的可靠性。使用　激光干涉仪和水平仪测量得的２ｌ项误差，通过线性坐标变换　进行误差合成，并实施了误差补偿。ｘ—Ｙ平面上测量试验表　明，补偿前，在所有测量点中误差值大于２０　ｍ的点占２０％，在　补偿后，不超过２０％的点的误差大于２　ｍ，证明精度提高了近　１Ｏ倍。除了坐标测量机的误差补偿以外，数控机床误差补偿的　研究也取得了一定的成果。　（２）误差直接补偿法。这种方法要求精确地测出机床空间　矢量误差，补偿精度要求越高，测量精度和测量的点数就要求　越多，但要详尽地知道测量空间任意点的误差是不可能的，利　用插值的方法求得补偿点的误差分量，进行误差修正，该种方　法要求建立和补偿时一致的绝对测量坐标系。　在国内，许多研究机构与高校近几年也进行了机床误差　补偿方面的研究。１９８６北京机床研究所开展了机床热误差的　补偿研究和坐标测量机的补偿研究。１９９７年天津大学的李书　和等进行了机床误差补偿的建模和热误差补偿的研究。１９９８　年天津大学的刘又午等采用多体系统建立了机床的误差模　型，给出了几何误差的２２线、１４线、９线激光干涉仪测量方法，　１９９９年他们还对数控机床的误差补偿进行了全面的研究，取　得了可喜的成果。　３　结语　综上所述，进行数控机床的误差补偿，误差测量是关键，误　差模型是基础。通过误差的补偿，可以有效的提高机床的精度，　为提升我国制造业水平作贡献。　参考文献　【１】倪军．数控机床误差补偿研究的回顾与展望叨冲国机械工程，　１９９７，８（１）：２９－３２．　【２］Ｒａｍｅｓｈ　Ｒ，Ｍａｎｎａｎ　Ｍ　Ａ，Ｐｏｏ　Ａ　Ｎ．Ｅｒｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍ　ｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ—ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｐａｒｔ　Ｉ：ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ．ｃｕｔｔｉｎｇ－ｆｏｒｃｅ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｆｉｘｔｕｒｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｅｒｒｏｒｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０００，（４ＪＤ）：１２３５－１２５６．　【３］Ｊ．Ｎｉ．Ｓｔｕｄｙ　Ｏｉｌ　ｏｎｌｉｎｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ＣｌＴＯｒｓ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｘｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ［Ｊ］．　ＰｈＤｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ—Ｍａｄｉｓｏｎ。１９８７．