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摘 要：数控机床误差补偿技术是提高机床加工精度十分经济而有效的方法和手段。本文在分析国内外数控机床误差补偿技术进行分析，提出了数控机床误差补偿的新方法。通过几何误差补偿的实验验证，结果证明该技术是提高数控机床加工精度十分有效、实用的方法。
关键词：数控机床；西门子840D系统；几何误差补偿
1. 数控机床误差源分析
影响数控机床加工精度的误差源可按以下分类。
1.1按来源分类
（1）几何误差：由机床各部件和结构的原始制造、装配误差等引起的机床误差；（2）热误差：由机床内部热源和外部热源扰动而引起机床不同部分热变形所造成的机床误差（3）力误差：机床自身部件受力变形而引起的机床误差（4）控制误差：机床的控制系统性能的差异所造成的误差（5）检测误差：检测系统的性能、测量精度等造成的机床误差（6）随机误差：外部环境等不可预见的因素干扰而造成的机床误差。
1.2按加工系统产生的误差分类
（1）内部误差：包括加工原理误差、几何误差、受力变形、热变形、刀具磨损、切削力及其力矩、摩擦力、振动等（2）外部误差：包括周围环境的温度、邻近设备的振动、电压波动、空气湿度、操作者的干预等。
通过对产生误差的原因的数据进行分析可以得出：机床的几何误差和热误差占总误差的45%-65%，是最主要的误差源。
2. 机床几何误差补偿技术的研究
本文以沈阳机床生产的VMC0540ds三轴加工中心为例，通过采用基于激光干涉仪的单项误差直接测量法，检测出机床的若干补偿几何误差项，依据西门子840D系统几何误差补偿模块的特点完成补偿。
2.1 几何误差补偿模块
2.1.1 几何误差补偿模块的原理和特点
西门子840D系统几何误差补偿模块提供了螺距补偿和悬垂误差补偿两种接口。
（1）螺距误差补偿原理：将数控机床某轴的指令位置和测量系统测量的实际位置进行比较，计算出全行程误差分布曲线，以表格的形式将误差补偿的补偿起始点、补偿点数、补偿步距和误差值存储到数控系统指定的位置。当数控系统控制该轴运动时，会自动根据反馈值插值计算出当前点的误差值并进行补偿。西门子840D系统的螺距误差补偿是按照坐标轴进行的绝对型的补偿方式。
（2）悬垂误差补偿原理
当工件在Y轴方向上运动时，会在Z方向产生几何误差。利用垂度补偿功能，补偿坐标轴非轴向方向的几何误差。当Y轴执行指令移动时，系统要在一个插补周期内计算出Z轴方向上的补偿值。西门子840D系统的垂度补偿功能也是一种绝对型的补偿方式，并且是按照补偿文件进行的，补偿文件参数包括补偿轴、参考轴、补偿方向等参数的设置。
2.2 几何误差补偿策略及典型操作步骤
图2.1 西门子840D系统几何误差补偿策略
2.2.1螺距误差补偿操作步骤
西门子840D数控系统的螺距误差补偿功能是一种绝对型的补偿方式，并且是按照坐标轴进行的，每一个坐标轴又可以分别对半闭环和全闭环进行补偿。进行螺距误差补偿是需要用到的系统参数主要有：
MD32700ENC_COMP_ENABLE；使能参数；
MD38000MM_ENC_COMP_MAX_POINTS；補偿最大点数设置。
具体的操作步骤如下：
（1）在机床面板“轴参数”界面中，根据需要修改
MD38000；然后需要在“服务菜单”下做一次NC备份。既可以备份系统硬盘上，也可以备份到U盘上；（2）对系统做一次NCK复位，将步骤（2）中的备份文件恢复到NC中；（3）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32700=0，使能失效；（4）在“服务菜单”下的“Nc-Active-Data”菜单下复制所要补偿轴的补偿文件“EEC_DATA”到一个新的文件目录下；（5）打开复制后的补偿文件，修改里面数值，保存关闭。将修改后的补偿文件加载到NC系统，或者在MDA方式运行一次；（6）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32700=1，使能有效；补偿生效。
2.2.2 悬垂误差补偿操作步骤
西门子840D数控系统的下悬垂误差补偿功能也是一种绝对型的补偿方式，并且是按照补偿文件进行的，补偿文件参数包括补偿轴、参考轴、补偿方向等参数的设置。西门子840D数控系统的悬垂误差补偿功能需要用到的系统参数主要有3个：
MD18342MM_CEC_MAX_POINTS[t]补偿表t的最大补偿点数；
MD32710CEC_ENABLE补偿轴使能值；
SD41300CEC_TABLE_ENABLE[t]补偿表使能值。
具体的操作步骤如下：
（1）在机床面板“轴参数”界面中，根据需要修改
MD18342；（2）修改完成后需要在“服务菜单”下做一次NC备份。既可以备份系统硬盘上，也可以备份到U盘上；对系统做一次NCK复位，将步骤1中的备份文件恢复到NC中；（3）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32710=0和SD41300=0，使能失效；（4）在“服务菜单”下的“Nc-Active-Data”菜单下复制补偿文件“CEC_DATA”到一个新的文件目录下；（5）打开复制后的补偿文件，修改里面数值，保存关闭；将修改后的补偿文件加载到NC系统，或者在MDA方式运行一次；（6）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32710=1和SD41300=1，使能有效；补偿生效。
3.几何误差补偿实验验证
表3.1 补偿前后几何误差对比
为了验证本文几何误差补偿方法的有效性，在沈阳机床厂生产的VMC0540ds三轴加工中心上进行了几何误差补偿实验。补偿前后几何误差对比见表3.1补偿前后几何误差对比。
由上表可以得出补偿后的几何误差减小比例在16.5%-92%范围内变化，补偿效果显著。西门子840D 数控系统的下垂误差补偿功能也是一种绝对型的补偿方式，并且是按照补偿文件进行的，补偿文件参数包括补偿轴、参考轴、补偿方向等参数的设置。
西门子840D 数控系统的下垂误差补偿功能与螺距误差补偿功能最大的不同点有3个：（a）螺距误差补偿是以自身坐标轴为参照的，而下垂误差补偿是以另外一个轴为参照的；（b）螺距误差补偿没有方向性，也就是说它不考虑轴正反向的不同，而下垂误差补偿具有方向型，可以根据数控机床本体几何误差的特点考虑补偿策略；（c）螺距误差补偿是以轴为单位进行补偿，而下垂误差补偿是以补偿表为单位进行补偿的。
结论
本文介绍了数控机床几何误差的补偿方法，利用西门子数控系统提供的功能，来补偿数控机床的几何误差。试验证明，此用法的有效性和合理性。最后指出，西门子悬垂误差补偿功能既可以用来实施轴关系几何误差补偿，也可以用来实施单轴轴向几何误差补偿，而且还可以消除正反方向的影响。此项研究对于提高840D 数控系统的应用水平以提高国产数控系统几何误差补偿水平具有重要的工程价值。
参考文献
[1] 顾向清.SINUMERICK 840D 自动过象限误差补偿QEC 的应用[J].制造技术与机床，2010（6）：164.
[2] 李斌，李培根.数控技术和装备发展趋势及对策[J].机电产品开发与创新，2002（5）：55.
关键词：数控机床；西门子840D系统；几何误差补偿
1. 数控机床误差源分析
影响数控机床加工精度的误差源可按以下分类。
1.1按来源分类
（1）几何误差：由机床各部件和结构的原始制造、装配误差等引起的机床误差；（2）热误差：由机床内部热源和外部热源扰动而引起机床不同部分热变形所造成的机床误差（3）力误差：机床自身部件受力变形而引起的机床误差（4）控制误差：机床的控制系统性能的差异所造成的误差（5）检测误差：检测系统的性能、测量精度等造成的机床误差（6）随机误差：外部环境等不可预见的因素干扰而造成的机床误差。
1.2按加工系统产生的误差分类
（1）内部误差：包括加工原理误差、几何误差、受力变形、热变形、刀具磨损、切削力及其力矩、摩擦力、振动等（2）外部误差：包括周围环境的温度、邻近设备的振动、电压波动、空气湿度、操作者的干预等。
通过对产生误差的原因的数据进行分析可以得出：机床的几何误差和热误差占总误差的45%-65%，是最主要的误差源。
2. 机床几何误差补偿技术的研究
本文以沈阳机床生产的VMC0540ds三轴加工中心为例，通过采用基于激光干涉仪的单项误差直接测量法，检测出机床的若干补偿几何误差项，依据西门子840D系统几何误差补偿模块的特点完成补偿。
2.1 几何误差补偿模块
2.1.1 几何误差补偿模块的原理和特点
西门子840D系统几何误差补偿模块提供了螺距补偿和悬垂误差补偿两种接口。
（1）螺距误差补偿原理：将数控机床某轴的指令位置和测量系统测量的实际位置进行比较，计算出全行程误差分布曲线，以表格的形式将误差补偿的补偿起始点、补偿点数、补偿步距和误差值存储到数控系统指定的位置。当数控系统控制该轴运动时，会自动根据反馈值插值计算出当前点的误差值并进行补偿。西门子840D系统的螺距误差补偿是按照坐标轴进行的绝对型的补偿方式。
（2）悬垂误差补偿原理
当工件在Y轴方向上运动时，会在Z方向产生几何误差。利用垂度补偿功能，补偿坐标轴非轴向方向的几何误差。当Y轴执行指令移动时，系统要在一个插补周期内计算出Z轴方向上的补偿值。西门子840D系统的垂度补偿功能也是一种绝对型的补偿方式，并且是按照补偿文件进行的，补偿文件参数包括补偿轴、参考轴、补偿方向等参数的设置。
2.2 几何误差补偿策略及典型操作步骤
图2.1 西门子840D系统几何误差补偿策略
2.2.1螺距误差补偿操作步骤
西门子840D数控系统的螺距误差补偿功能是一种绝对型的补偿方式，并且是按照坐标轴进行的，每一个坐标轴又可以分别对半闭环和全闭环进行补偿。进行螺距误差补偿是需要用到的系统参数主要有：
MD32700ENC_COMP_ENABLE；使能参数；
MD38000MM_ENC_COMP_MAX_POINTS；補偿最大点数设置。
具体的操作步骤如下：
（1）在机床面板“轴参数”界面中，根据需要修改
MD38000；然后需要在“服务菜单”下做一次NC备份。既可以备份系统硬盘上，也可以备份到U盘上；（2）对系统做一次NCK复位，将步骤（2）中的备份文件恢复到NC中；（3）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32700=0，使能失效；（4）在“服务菜单”下的“Nc-Active-Data”菜单下复制所要补偿轴的补偿文件“EEC_DATA”到一个新的文件目录下；（5）打开复制后的补偿文件，修改里面数值，保存关闭。将修改后的补偿文件加载到NC系统，或者在MDA方式运行一次；（6）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32700=1，使能有效；补偿生效。
2.2.2 悬垂误差补偿操作步骤
西门子840D数控系统的下悬垂误差补偿功能也是一种绝对型的补偿方式，并且是按照补偿文件进行的，补偿文件参数包括补偿轴、参考轴、补偿方向等参数的设置。西门子840D数控系统的悬垂误差补偿功能需要用到的系统参数主要有3个：
MD18342MM_CEC_MAX_POINTS[t]补偿表t的最大补偿点数；
MD32710CEC_ENABLE补偿轴使能值；
SD41300CEC_TABLE_ENABLE[t]补偿表使能值。
具体的操作步骤如下：
（1）在机床面板“轴参数”界面中，根据需要修改
MD18342；（2）修改完成后需要在“服务菜单”下做一次NC备份。既可以备份系统硬盘上，也可以备份到U盘上；对系统做一次NCK复位，将步骤1中的备份文件恢复到NC中；（3）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32710=0和SD41300=0，使能失效；（4）在“服务菜单”下的“Nc-Active-Data”菜单下复制补偿文件“CEC_DATA”到一个新的文件目录下；（5）打开复制后的补偿文件，修改里面数值，保存关闭；将修改后的补偿文件加载到NC系统，或者在MDA方式运行一次；（6）在机床面板“轴参数”界面中，修改MD32710=1和SD41300=1，使能有效；补偿生效。
3.几何误差补偿实验验证
表3.1 补偿前后几何误差对比
为了验证本文几何误差补偿方法的有效性，在沈阳机床厂生产的VMC0540ds三轴加工中心上进行了几何误差补偿实验。补偿前后几何误差对比见表3.1补偿前后几何误差对比。
由上表可以得出补偿后的几何误差减小比例在16.5%-92%范围内变化，补偿效果显著。西门子840D 数控系统的下垂误差补偿功能也是一种绝对型的补偿方式，并且是按照补偿文件进行的，补偿文件参数包括补偿轴、参考轴、补偿方向等参数的设置。
西门子840D 数控系统的下垂误差补偿功能与螺距误差补偿功能最大的不同点有3个：（a）螺距误差补偿是以自身坐标轴为参照的，而下垂误差补偿是以另外一个轴为参照的；（b）螺距误差补偿没有方向性，也就是说它不考虑轴正反向的不同，而下垂误差补偿具有方向型，可以根据数控机床本体几何误差的特点考虑补偿策略；（c）螺距误差补偿是以轴为单位进行补偿，而下垂误差补偿是以补偿表为单位进行补偿的。
结论
本文介绍了数控机床几何误差的补偿方法，利用西门子数控系统提供的功能，来补偿数控机床的几何误差。试验证明，此用法的有效性和合理性。最后指出，西门子悬垂误差补偿功能既可以用来实施轴关系几何误差补偿，也可以用来实施单轴轴向几何误差补偿，而且还可以消除正反方向的影响。此项研究对于提高840D 数控系统的应用水平以提高国产数控系统几何误差补偿水平具有重要的工程价值。
参考文献
[1] 顾向清.SINUMERICK 840D 自动过象限误差补偿QEC 的应用[J].制造技术与机床，2010（6）：164.
[2] 李斌，李培根.数控技术和装备发展趋势及对策[J].机电产品开发与创新，2002（5）：55.