数控加工中的误差来源及其对策

1、数控加工中的误差来源及其对策周晓宏（湖南工业职业技术学院，长沙）摘要：随着技术的进步，对数控机床的精度要求越来越高。本文分析了数控机床的主要误差来源及相应可采取的改善措施。通过研究这些问题，可提高制造、使用和维护数控机床的水平。关键词：数控机床；误差来源；改善措施中图分类号：文献标识码：文章编号：（）在数控机床上工件的加工精度要求都很高。为了提高数控机床的加工精度，必须对数控加工过程中的各种误差来源进行仔细的分析，才可能尽量避免误差，或根据这些来源情况采取相应措施，以对误差进行补偿。在数控加工过程中，从图纸到成品工件的全过程中的各种误差都会影响到所加工工件的精度。在工件的数控加工过程中，误差来

2、源可分两大类。第一类误差是程序编制过程中产生的误差，记为程。第二类是参与加工的整个工艺系统（包括数控机床、刀具、夹具和毛坯）引起的，主要有控制系统误差控、进给误差进、工件定位误差定位、对刀误差对刀等。可见工件数控加工误差数加应为上述各项误差之综合，即数加（程，控，进，定位，对刀，）。下面分别来讨论几项主要误差的产生原因及其改善措施。时产生的误差，称为逼近误差；插为采用插补段逼近零件轮廓曲线时产生的误差，称为插补误差；圆为数据处理时，将小数脉冲圆整成整数脉冲时产生的误差，称为圆整误差。若零件的原始轮廓形状用列表曲线表示，当用近方程式来逼近列表曲线时，则方程式所表示的形状与零件原始轮廓形状之间的差

3、值，即为逼近误差。这种误差只出现在零件轮廓形状用列表曲线表示的情况。当用数控机床加工零件时，根据数控装置所具有的插补功能的不同，可用直线或直线圆弧去逼近零件轮廓。当用直线或圆弧逼近零件轮廓曲线时，逼近曲线与实际原始轮廓曲线之间的最大差值，称为插补误差。若构成零件轮廓曲线的几何要素或列表曲线的逼近方程式曲线与数控装置的插补功能相同时，则没有该项插补误差。圆整误差圆是将脉冲值中小于一个脉冲当量的数值，用舍入法圆整成整数脉冲值时所产生的误差。圆的值不超过脉冲当量的一半。程编误差程允许占有工件数控加工误差数加比例很小，一般取：程（）数加。要想程序编制中的误差程序编制中的误差程是由三部分组成的：程（逼，

4、插，圆）式中逼为采用近计算方法逼近零件轮廓曲线收稿日期：2002-03-14作者简介：周晓宏（），男，湖南省宁乡县人，讲师，研究方向为数控技术。3204第卷第期缩小程编误差程，就要增加插补段，这将增加数据计算工作量。所以，合理选择程编误差是程序编制的重要问题之一。制。如采用细分驱动电路后相当于减小了步进电动机的步距角，对提高系统精度大有好处；采用调频调压驱动电路可减弱低频振荡现象，并且还可以减小其动态误差。（）从控制原理方面入手。对于精度要求较高的大型数控机床，针对开环系统的不足，可在其基础之上增设一套工作台位移检测装置，如直光栅或感应同步器等，用以监视并补偿前向通道的误控制系统误差按照伺服系

5、统的控制方式，可以把数控系统分为开环控制数控程序、闭环控制数控系统和半闭环控制数控系统三大类。开环控制数控系统这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电机为驱动元件，如图所示。图开环控制系统框图由于进给系统中没有反馈检测装置，其前向通道中的各种误差就无法通过反馈信息来加以补偿，从而直接导致了输出位置误差。开环控制系统的输出误差来源于步进电动机的误差和进给传动链的误差，关于进给传动链的误差将在后面分析。这里先分析步进电动机的误差。步进电动机的误差主要有以下几种：（）步距误差伺服式步进电动机的步距误差为±角秒±角秒；功率式步进电动机的步距误差为±角秒±

6、角秒（角秒×（）。（）动态误差当步进电动机进行单步运行时，存在明显的振荡现象，其超调量约为步距角的。当步进电动机工作于较低的频率区时），还会出现共振现象。（）起停误差在步进电动机启动和停止的过渡过程中，电动机的转动总是滞后于控制脉冲。针对上述误差的来源，可采取以下一些措施来进行改善：（）从选择元件入手。在可能的条件下，尽量选择步距角较小的步进电动机。（）从驱动电路入手。尽可能选择更理想的驱动电路来实现步进电动机的控差。当出现传动误差时，由反馈电路发出一定数目的附加脉冲，用以补偿步进电动机多走或少走的步数。如图所示。在该系统中机床本身并不包含在定位伺服系统中，而是处于补偿回路中，使系统

7、易于调试，类似于开环，但系统精度又接近于闭环，所以，也有人称这种系统为混合步进系统。闭环控制数控系统闭环控制系统是在机床移动部件（如工作台）上直接安装直线位置检测装置，将检测到的实际位置反馈到数控系统中，与系统中的位置指令值进行比较，用比较后的差值控制移动部件移动，直到差值消除时才停止移动。图中用实线表示的位置反馈，即组成闭环控制系统。位置检测装置有光栅、感应同步器和磁栅等。第卷第期3214（由于闭环系统的位置检测包含了进给传动链的全部误差，如滚珠丝杠螺母副和导轨副的间隙等，因而可达到很高的控制精度，定位精度在±以内。但是，位置检测反馈中包含的各种不稳定因素较多，因此调试工作较困难，

8、若各种参数匹配不适当，会引起系统振荡，造成机床工作不稳定。闭环系统的误差来源主要有：（）由于检测装置的制造误差及其在机床上的安装误差、检测装置绕组供电误差等引起的反馈系统（包括检测装置）的误差。（）由于机床零件和机构存在误差（包括机床几何参数的误差、配合间隙、振动、机床零件的弹性和热变形、配合处的磨损等），使得检测装置在检测过程中出现误差，从而使测量值失真。减小上述误差的主要途径有：（）在条件允许的前提下，尽可能使用分辨力高的检测装置。（）在选用检测装置时，要保证该检测装置对所用机床的振动不敏感。为做到这一点，要使检测装置的固有频率至少要比机床工件振动频率高十倍。（）安装检测装置时，要尽可能提

9、高其安装精度。半闭环控制数控系统在图中用虚线表示的位置反馈即构成半闭环控制数控系统。该系统是在伺服电动机上同轴安装，或在滚珠丝杠轴端安装角位移检测装置，通过测量角位移间接地检测移动部件的直线位移，然后反馈到数控系统中，控制方式与闭环控制系统相同。由于在半闭环控制系统中进给传动链的滚珠丝杠螺母副和导轨副的误差没有包括在位置反馈中，所以传动机构的误差仍然会影响到移动部件的位置精度。但因为反馈过程中不稳定因素减少，因此调试较方便，稳定性好。半闭环系统的误差来源主要有：（）前面所述及的闭环系统的误差；（）滚珠丝杠螺母副和导轨副的误差。3224第卷第期对于进给传动链误差，如反向间隙、丝杠螺距累积误差，可

10、通过数控系统的参数设置来进行补偿，这个问题将在下面讨论。进给误差进给误差是指数控机床进给传动链中存在的误差。数控机床进给传动链中包含有齿轮、轴和滚珠丝杠螺母副等。进给误差的来源主要有：（）由于在进给传动链中齿轮传动和滚珠丝杠螺母副均存在反转间隙，当工作台反向运动时，这种反转间隙会造成电动机空走而工作台不运动的现象，从而造成开环系统、半闭环系统的误差和闭环系统的位置环振荡而不稳定。（）滚珠丝杠的螺距累积误差。（）滚珠丝杠、螺母支架和轴承等机械部分的受力变形和热变形引起的误差。（）工作台导轨的误差。减小进给误差的主要方法如下：（）对传动反转间隙可采取调整和预紧的方法来减小间隙。对剩余间隙，在开环和

11、半闭环系统中可将其间隙值测出，作为参数输入数控系统。此后每当数控机床反向运动时，数控系统会控制电动机多走一段距离，这段距离等于间隙值，从而补偿了间隙误差。需注意的是对闭环数控系统不能采取以上补偿方法（通常闭环数控系统要求将间隙值设为零），因此必须从机械上减小或消除间隙。（）在开环和半闭环系统中对螺距累积误差可利用数控系统对误差进行补偿与修正。螺距误差补偿的基本原理就是将数控机床某轴的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较，计算出在全行程上的误差分布曲线，将误差以表格的形式输入数控系统中。以后数控系统在控制该轴运动时，会自动考虑到该差值并加以补偿。（）对于由于机械传动链受力变形和热变

12、形而引起的误差，可通过增大传动链的刚性，减小摩擦力等措施来解决。工件定位误差在数控机床加工工件的过程中，工件的定位误差会直接影响工件的尺寸精度和位置精度。由定位引起的同一批工件的工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量，称为定位误差。与定位误差相关的是工件的工序基准和定位基准。定位误差产生的原因：造成定位误差的原因是定位基准与工序基准不重合以及定位基准的位移误差两个方面。（）基准不重合误差：定位基准与设计基准不重合时所产生的加工误差称为基准不重合误差。（）基准位移误差：一批工件定位基准相对于定位元件的位置最大变动量（或定位基准本身的位置变动量）称为基准位移误差。要减小定位误差，可采取以下措施：（）

13、为避免基准不重合误差，应尽可能使定位基准与设计基准重合。当两者难以重合时，应该认真分析装配图样，明确工件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的尺寸位置精度要求，确保加工精度。（）为减小基准位移误差，应尽量提高定位元件的制造精度，减小定位元件与定位基准之间的位置误差。差，另外使用仪器的技巧欠佳也会造成误差。（）测量刀具时是在静态下进行的，而加工过程是动态的，同时要受到切削力和振动外力的影响，使得加工出来的尺寸和预调尺寸不一致。此项误差的大小决定于刀具的质量和动态刚度。（）在对刀过程中，大多时候要执行“机床回参考点”的操作，在此过程中可能会发生零点漂移而导致回零误差，

14、从而产生对刀误差。减小对刀误差的主要措施有：（）当用试切法对刀时，操作要细心。对刀后还要根据刀具所加工零件的实际尺寸和程编尺寸之间的误差来修正刀具补偿值。（）当使用仪器对刀时，要注意仪器的制造、安装和测量精度。要掌握使用仪器的正确方法。（）选择刀具时要注意刀具的质量和动态刚度。（）定期检查数控机床零点漂移情况，注意及时调整机床。结束语数控机床的制造者和使用、维护者必须非常重视数控机床的加工精度问题。数控机床的误差来源非常复杂。本文分析了数控机床的主要误差来源及相应可采取的改善措施。通过研究这些问题，可提高制造、使用和维护数控机床的水平。随着技术的进步和高新技术在数控机床上的应用，数控机床的误差控制问题将得到更好的解决。参考文献：顾京数控机床加工程序编制北京：机械工业出版社，严爱珍机床数控原理与系统北京：机械工业出版社，王侃夫机床数控技术基础北京：机械工业出版社，普罗尼科夫，等数控机床的精度与可靠性北京：机械工业出版社，华茂发数控机床加工工艺北京：机械工业出版社，孙汉卿，等数控机床维修技术北京：机械工业出版社，对刀误差在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定的各