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緒 論
1.1課題的提出與意義
數控機床是製造業實現自動化、柔性化、整合化生產的基礎，其水平的高低和擁有量多少是衡量一個國家工業現代化的重要標誌。工業已開發國家把數控機床視為具有高技術附加值和高利潤的重要出口產品。數控機床已成為關係到國家戰略地位和體現國家綜合國力的重要基礎性產品[1]。高速、高精度是數控機床發展的一個主要方面，據統計從上世紀中葉至今的50年裡，機床的加工精度每隔8年就提高一倍[2]。隨著數控加工技術的廣泛應用，對數控加工精度的要求日益提高。對工廠而言，提高產品質量在一定程度上意味著需要淘汰一批精度低的現有機床，但這對我國大多數數控機床使用者來說是一筆不小的投入。若維持現有裝置成本，很可能無法滿足使用者對數控機床精度的要求，若從根本上提高數控機床的製造精度，無疑將導致生產成本的大幅度上升，影響使用者購買的積極性。針對我國數控機床生產和應用的具體情況，如何經濟有效的提高數控機床的精度是一個極有研究價值的課題。
在研究影響加工精度的因素時，應當對機械加工的全過程進行分析。分析表明，影響加工精度的誤差主要有幾何誤差和動誤差兩個方面。幾何誤差包括加工原理誤差、工件的裝夾誤差、調整誤差、刀具誤差、機床主軸迴轉誤差、機床導軌導向誤差和機床傳動誤差。動誤差包括測量誤差、刀具磨損、工藝系統受力變形，工藝系統受熱變形、工件殘餘應力引起的變形。其中，幾何誤差和由溫度引起的誤差佔機床總誤差的70%[3]。
在機械製造業中，被加工零件的尺寸精度、形狀精度和相對位置精度是機械加工精度的重要指標。為了提高機床加工精度，各國學者作了大量的深入，提出了很多行之有效的方法。縱觀這些方法，可以將他們分為兩大類：誤差防止法和誤差補償法[3，4]。
誤差防止法是通過提高機床零部件的加工與裝配精度，加大機床系統的剛度以及嚴格控制機械加工環境等方法來提高機械加工精度，即在製造和設計過程中來消除可能的誤差源。該方法有一個致命的弱點，即機床的效能與造價成幾何級數關係增長。同時，由於數控機床的機構複雜，零部件非常之多，機床的工況複雜等問題，使得單純採用誤差防止法來提高機床的加工精度是十分困難的。
誤差補償法是通過分析影響加工精度的不同誤差來源，建立空間誤差數學模型，利用前饋預報技術對機械系統誤差進行修正，從而提高機械加工精度。該方法可用普通的機床加工出高精度的產品，實現“不使用精密加工裝置的精密加工”[5]。因此，非常適合於我國製造工業發展現狀：即工業底子薄，中、低檔數控裝置比率較大，且在短期內難以對現有裝置進行大量的更新和改造[6]。我國工業基礎差，與已開發國家有很大差距，再加上資金少，使用的數控裝置檔次較底，基本上都是中底檔數控裝置，且難以對現有的裝置進行大量的更新和改造。而誤差補償技術的最大的特點就是在無需大量投入資金的情況下提高加工精度，創造更大的效益。誤差補償技術對我國機械製造業的發展意義更為重要。攻克誤差補償技術難關，進而進行廣泛推廣，這肯定會使我國機械行業整體質量有很大的提高，創造巨大的經濟效益。因此，對誤差補償技術的深入研究與應用，不僅有利於我們跟蹤世界前沿課題，達到技術領先優勢，而且更重要的是，該項工作是我國機械行業目前亟待解決的關鍵課題之一[4]。
綜上所述，對數控機床誤差分析技術問題的研究，不僅有利於我們跟上世界前沿的課題，而且更重的是，針對我國製造業的發展現狀，對機床加工工件精度的提高提供了重要的技術方法，對我國製造業加工現狀有很明顯的經濟效益，對我國的經濟快速發展提供了新的動力。
1.2 課題研究的背景綜述
機床精度的高低是用誤差來衡量的。一般的說，數控機床機械部件主要由床身、立柱、轉軸、拖板、工作臺及傳動部件組成。每個部件都可能導致誤差的產生。影響數控機床的誤差源大體可劃分為[7,8]：
1） 機床部件及構造導致的幾何誤差；
2） 運動誤差；
3） 熱變形產生的誤差；
4） 力產生的誤差，包括：載荷變形誤差、軸加速時偏心力產生的誤差及切削力產生的誤差。
5） 材料不穩定導致的誤差；
6） 檢測系統的測試誤差；
7） 機床裝配導致的誤差；
8） 磨損產生的誤差，這包括刀具系統的磨損；
9） 定位產生的誤差；
10) 外界干擾誤差，主要指環境條件的擾動和執行工況的波動所引起的誤差。
最傳統的誤差補償方法應算是藉助凸輪、靠模、校正尺等機械式補償機構，實現對精密機床系統誤差進行修正的方法，雖然機械機構式的誤差補償方法取得了一定的成果，但該方法存在著設計週期長、結構複雜、笨拙、成本高、柔性差等問題，難以滿足單件、小批等生產的要求[9]。
隨著計算機技術及檢測技術的不斷髮展，以及人們對機床運動規律的認識不斷深入，以機床運動模型及功能晶片為主體的誤差補償方法，逐步替代了傳統的機械機構誤差補償方法，在當今數控誤差補償研究中一直占主導地位，並取得了明顯的效果[4]。
現在，以數控機床誤差模型為基礎的誤差補償實施方法主要可分為兩類[10]：其一是軟體補償法，其二是硬體補償法。目前使用的誤差補償方法主要是硬體誤差補償方法，該方法是通過開發以微處理器晶片為核心的誤差補償控制器及專用介面電路，向數控機床傳送空間點位誤差補償資訊而達到誤差補償的目的。數控機床的基本功能模組有數控系統、伺服單元、反饋環節。相應的誤差補償器也分為三類：NC型、前饋補償型和反饋修正型。反饋修正控制器由美國技術和標準局的Rogel和er負責研究，並取得成功。該方法通過修正反饋的脈衝數，實現了對三座標加工中心的空間誤差進行修正。該方法雖不受數控系統型別的限制，但仍存在兩大弱點：其一是對每個軸的位置反饋環節必須加一套修整方案，成本高，不利於除錯和維護；之二是反饋環節增加誤差修正環節改變了數控機床本身的機電動態特性。總體來說，誤差補償控制器對數控系統有很大的依賴型，由於數控系統、伺服系統的多樣性和封閉性，嚴重阻礙了該項技術的普及推廣。
與硬體補償法相對應的是軟體補償方法，軟體誤差補償是通過修改數控加工程式碼或者執行補償指令來實現加工誤差的補償。這樣，採用軟體補償方法就可以在不對機床的機械部分做任何改變的情況下，使其總體精度和加工精度顯著提高。
1.2.1 幾何誤差建模技術研究現狀