第1章 绪论

1.1 数控机床误差补偿研究的意义

高端精密数控机床不但是工业现代化的技术基础，而且还是高技术产业发展的支撑工具，其应用现代计算机技术、自动控制、精密检测、信息技术和先进制造技术的最新成果，组成了具有高科技含量的高档次“工作母机”。中国作为世界制造业的中心，在航空航天、国防、核电、冶金等众多行业中对高端数控机床及装备的需求急剧增多，对国家的经济发展产生着重大影响。大力发展装备制造业、提高高端数控机床及装备技术水平是当务之急，并具有全局性、战略性的意义。

随着制造业的高速发展和加工水平的快速提高，对数控机床加工精度提出了越来越高的要求，数控机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm）甚至更高。一般来说，数控机床的不精确性由以下原因造成：

1）机床热变形误差。

2）机床零部件和结构的几何误差。

3）切削力引起的误差。

4）刀具磨损引起的误差。

5）控制误差，如机床轴系的伺服误差、数控插补算法误差。

6）其他误差，如颤振引起的误差等。

由于在机床的各种误差源中，几何误差、热误差以及力误差占据着绝大部分，故以减少这三项误差特别是其中的热误差为主要目标。

机床几何误差来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合误差、机床部件的动、静变位等引起的误差。机床热误差主要是指由电动机、轴承、传动件、液压系统、环境温度、切削液等机床内外热源引起的机床部件热变形而造成的误差。机床力误差主要是指由切削力、装夹力以及工艺系统的自身重力等引起的机床部件、刀具以及工件的变形而造成的误差。

提高机床精度的基本方法有误差防止法和误差补偿法。

误差防止法是试图通过设计和制造、装配途径消除或减少可能的误差源。例如通过提高机床部件的设计和制造精度减小系统内的误差源影响，并采用严格的温度控制、隔振措施、气流扰动及环境状态的控制，以消除或减小系统外的误差源影响。误差防止法采用的是“硬技术”，它虽能减少原始误差，但靠提高机床制造精度和安装精度来满足高速发展的需要有着很大的局限性，即使可能，经济上的代价往往是很昂贵的。

误差补偿法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，以达到减小加工误差，提高零件加工精度的目的。误差补偿所投入的费用与提高机床本身精度或新购买高精度机床相比，价格要低得多。因此，误差补偿技术是提高机床精度经济有效的手段，特别对改造低性能机床或老机床具有更重大的意义。国际生产工程学会（CIRP）在1995年和2008年提出了“机床热误差的减少与补偿”的主题报告，论述了热补偿对提高机床精度的作用。这表明误差补偿技术早已成为国际上提高数控机床加工精度的主要手段和制造加工领域的热门研究课题。

误差补偿技术采用的是“软技术”，它用很小的代价便可获得“硬技术”难以达到的精度水平，因而误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家认可，并使之得以迅速发展和推广。时至今日，许多精密机床、精密仪器及某些精密制造设备都采用了误差补偿技术。误差补偿技术已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。

其实，人们总是在自觉或不自觉地采用各种方式使误差得以补偿，使被加工或测量件有可能超过母机的精度，这是一种“精度进化”或者称为“精度自愈”。从这个意义上讲，误差补偿又是一项带有根本性的技术。随着现代计算机技术、数控技术及测量系统的高速发展，误差补偿技术更是如虎添翼，有了更加广泛的应用前景。

在国外，虽然机床误差补偿技术有着一定的水平，但在工业中的应用还远未达到商业化程度。这说明误差补偿技术还有很大的余地可研究和开发。在国内，误差补偿技术绝大部分还停留在实验室范围。随着我国国民经济的发展，对数控机床数量和质量的要求会越来越高。数控机床误差动态综合实时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实时补偿技术的高度重视。所以，对数控机床误差补偿技术的研究和应用会更深入和广泛。