科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业,先进制造技术

需求背景

机床的几何误差（由机床本身制造、装配缺陷造成的误差）、热误差（由机床温度变化而引起热变形造成的误差）及切削力误差（由机床切削力引起力变形造成的误差）是影响加工精度的关键因素，这3项误差可占总加工误差的80%左右。提高机床加工精度有两种基本方法∶误差预防法和误差补偿法。误差预防法是一种“硬技术”，通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源，靠提高机床制作精度来满足加工精度要求。误差预防法有很大的局限性，即使能够实现，在经济上的代价往往是很高的。误差补偿法是使用软件技术，人为产生出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。通过误差补偿可在机床上加工出超过机床本身精度的工件，这是一种“精度进化”的概念。近年来，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，并使之得以迅速发展和推广，已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。误差动态综合补偿已列入国家科技重大专项"高档数控机床与基础制造装备”表明我国政府对数控机床误差动态综合补偿技术的高度重视。

需解决的主要技术难题

（1）误差补偿运动控制的实现。误差补偿是通过移动（对于四轴以上还需转动）机床的运动副以使和工件在机床空间误差的逆方向上产生相对运动而实现。误差补偿运动控制的实现除了要满足补偿精度外，还要满足实际应用的方便性和市场经济的经济性。再则，考虑到机床的动态误差，还需补偿的实时性，所以，对误差补偿运动控制实现的要求是精确性、实时性、经济性和方便性。从目前来看，补偿运动控制的实现可通过∶a.修改G代码补偿法【3-5】，但实时性差；b.压电陶瓷制动补偿法【6】，但反应慢、刚度低；c.开放式数控系统补偿法，但绝大多数数控系统还未到开放程度；d.数控系统内部参数调整补偿法，如螺距补偿、齿隙补偿、刀补等，但仅静态补偿；e.原点偏移补偿法【7-9】，但受限于数控系统。

（2）数控机床误差的综合建模和补偿问题。目前，绝大多数的补偿将几何误差和热误差分开补偿，由于机床误差的复杂性，如定位误差等实质上既是几何误差（与机床坐标位置有关）又是热误差（与机床温度有关），一般将这些误差作为几何误差进行补偿，但实际上，这些误差在不同的温度下是变化的，故对这种既是几何误差又是热误差的复合误差（严格说机床上的误差都和温度有关）要进行几何误差和热误差的综合建模和补偿。

（3）机床误差检测和辨识时间过长问题。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、冷却液、加工周期等多种因素，而且机床热误差呈现非线性及交互作用，因此，这种检测和辨识通常需要很长时间。另外，由于机床上的误差元素众多，一般的测量仪测量，一次调整仅测得一项误差元素，如何高效快速地测量，也是个必须解决的问题。

（4）五轴数控机床多误差实时补偿问题。目前国内外五轴数控机床补偿主要局限于几何误差建模及补偿【10-12】，而且在理论上讨论的比较多，真正实际的动态实时补偿的实施和应用的实例还是不多。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，五轴机床的多误差动态实时补偿及其应用必不可小

期望实现的主要技术目标

由于机床本身的构造和加工过程中的各种因素，数控机床经常会产生误差。其是由于数控机床的结构、装配等因素而导致。通过构造误差补偿模型来补偿热误差的主要补偿方法。目前，数控机床热误差补偿的主要模型有神经网络模型，灰色理论模型和贝叶斯网络模型。这些误差补偿模型都是基于计算机应用技术而不断发展进步的，这也提醒了研究人员，在未来的机械设计制造行业中，计算机技术可以为数控机床带来更多的可能性，并不断提高机床的加工精度和加工质量。

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