2.1.4 误差补偿技术

当前超精密加工的综合精度指标已经提高到亚微米级，对机床的伺服控制系统及加工轨迹控制算法提出了更高的要求，一般可通过数控系统控制精度提升和采用误差补偿技术来实现。

提高数控系统控制精度的方法包括提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给、使CNC控制单元精细化、提高位置检测精度，以及位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等。数控系统一般提供五轴旋转刀具中心（RTCP）、空间误差补偿、热误差补偿等功能。

数控机床几何误差测量方法主要是利用API XD激光干涉仪，针对三轴数控机床的21项空间误差设计的快速测量方法。

API XD激光干涉仪的测量部件主要由激光头（包括干涉仪、激光控制器和通信接口）、光学传感器和五棱镜三部分组成，如图2-14所示。

XD激光测量系统包括1-D、3-D、5-D和6-D模式，6-D模式可同时对6个自由度上的参数进行测量，即线位移、水平直线度（XX）、垂直直线度（YY）、偏摆角（A）、俯仰角（B）和绕测量轴旋转的滚摆角（C）。

在6-D模式下激光头产生的激光可以测量线位移、两项直线度、偏摆角和俯仰角5项参数。滚摆角的测量是通过一对电子水平仪来实现的，包括参考水平仪（单独放置在工作台上）和测量水平仪（集成在传感单元内）。光学传感器部件（6-D传感单元）中集成了可以配合激光头内的干涉仪来测量线位移精度的角反射镜，一个用于测量的高精度电子水平仪，以及一个用来检测俯仰角、偏摆角和直线度变化的光学传感器。当测量各轴之间的垂直度时，使用五棱镜不但可以起到转向镜以改变激光束方向的作用，还可以保证入射光和反射光垂直。

使用XD激光测量系统可以进行线性定位误差测量、直线度误差测量、角度误差测量、垂直度误差测量。偏摆角和俯仰角检测示意图如图2-15所示。

数控系统针对机床几何误差实施补偿的处理流程如图2-16所示。

以X轴为例。关闭所有误差补偿，激光头放置在X方向并调试对光，测量几何误差。然后根据数控系统提供的螺距误差补偿方法，将测量得到的误差数据按照要求导入相应位置，进行X轴螺距误差补偿。X轴、Y轴定位误差如图2-17所示。

补偿模块针对反向间隙、螺距误差和直线度误差三项参数进行补偿，数据分析时已经把所需的误差补偿值全部计算完成，选择相应的补偿按钮，对应的误差补偿数据便自动载入数控系统误差补偿参数和数据表参数中。根据数控系统误差补偿参数中的要求，对补偿方式进行分类设置，当采用双向螺距误差补偿时无须进行反向间隙补偿，直线度误差补偿类型可以分为单向或双向两种。HNC8型数控系统的误差补偿参数设置界面如图2-18所示。

热变形补偿除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，也较多注意补偿由于电动机、回转主轴和传动丝杠等发热变形所产生的加工误差。为减少热变形，传统的改善方法是使用绝热材料、进行热平衡设计及加装冷却装置等硬件，虽然成效不错，却增加了制造成本，而且开发周期长，容易使厂商失去快速、弹性的竞争能力。现有的研究方向是：一方面采取减少热量的措施，如采用流动油液对内装主轴电动机和主轴轴承进行冷却；另一方面则采取软件来实现热补偿，就是先在离线的情况下，以切削试验方式建立热变形的误差模型，然后在在线运行时实时补偿热变形误差。

软件热补偿技术包括误差建模、误差测量及补偿实施三个过程。误差测量包括直接误差测量和间接误差辨识。误差补偿在时间尺度上分为离线补偿和实时补偿。离线补偿是根据测量得到的误差在加工后期对机床进行误差补偿，离线补偿只能针对机床稳定的误差。对于生产过程中产生的误差，因其和所处温度场紧密相关，所以需要使用实时补偿。该技术研究的关键在于提高补偿的实时性、准确性、有效性和简便性。

热误差测量中温度测点的布置和选择是数控机床热误差测量、建模及其补偿中的关键。采用数控系统内核插补层接入技术，可以实现热误差补偿模块与国产高档数控系统的深度融合。

一般来说，机床空间误差补偿的误差模型是静态的，没有考虑温度对误差模型的动态影响，主轴热误差建模是非实际切削状态下获得的，补偿效果不佳。因此，考虑温度及实际切削状态的误差补偿模型，将大大提高补偿效果。

为实现机床热误差补偿，必须测量指定温度（T）条件下机床各运动轴在行程范围内的误差值序列，并根据误差值序列绘制热误差曲线。X轴热误差曲线如图2-19所示。

从图2-19中可以看出，在满足一定精度的前提下，热误差曲线可以用一条直线（图中的虚线）代替，该直线可由斜率与补偿参考点P₀唯一确定。

数控系统热误差补偿由以下两部分来实现：

1）数控系统热误差补偿参数的输入。热误差曲线仅描述了针对某一特定温度的瞬时状态，当温度变化时，补偿参数必须根据新的热误差曲线重新生成，并传送给数控系统。

2）根据热误差补偿参数实施补偿。热误差补偿在插补周期内进行，即所谓的插补后补偿。为防止机床过载，在按照公式计算得到热误差补偿值后，先通过监控程序使补偿值得到平滑处理，再将其与插补输出指令的位置信息进行叠加。

热误差补偿的模块结构如图2-20所示，机床误差测量实物图如图2-21所示，X轴、Y轴线性热膨胀误差如图2-22所示，X轴、Y轴热膨胀误差补偿如图2-23所示。