摘要：数控技术作为现代制造业中的重要技术手段，已经在机床行业中得到了广泛的应用。而机床定位精度作为机床的重要指标，对于保证加工精度和提高生产效率具有至关重要的作用。本文从数控技术的发展背景、数控系统的组成与发展趋势进行了简述。系统分析了误差传递与叠加的原理，探讨了各种定位精度监测方法。提出误差补偿策略方法，并结合实际案例进行分析，旨在提高机床定位精度监测和调整的精度、速度和自动化程度，为现代工业的高效、精准和智能化发展提供支撑和保障。

　　关键词：数控系统,定位精度,监测,补偿

　　机床是一切机械工业的基础装备，被称为“工作母机”，广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造、高速列车等领域的零部件加工。数控机床的发展，使得制造业实现全自动式的生产，还大大提高生产的精密程度，提高生产效率。数控机床的定位精度直接影响了加工零件的准确度、表面质量以及生产效率，因此对数控机床的定位精度进行监测和补偿具有重要的理论和实际价值。随着微电子技术、计算机技术和控制理论的不断发展，数控技术得到了极大的提升。尽管如此，在实际加工过程中，数控机床定位精度仍受到多种因素的影响，如机床结构、热变形、误差传递等。因此，如何有效地监测和补偿机床定位精度误差，提高数控机床的加工精度，实现高速高精度加工成为了制造业重点研究领域之一。

　　1数控技术概述

　　1.1数控技术发展简史

　　数控技术自20世纪40年代诞生以来，经历了几个发展阶段，取得了显著的成果。数控技术的发展与计算机技术、微电子技术、自动控制技术等领域的进步密切相关。从20世纪40年代的硬线控制，到20世纪60年代的模拟量控制，再到20世纪80年代的数字控制，最后发展到21世纪的计算机数值控制（CNC），数控技术的不断发展，提高了机床的加工精度、生产效率和自动化水平，其应用领域也逐渐扩展，如航空、航天、汽车制造、模具制造、机械加工等。同时，数控技术与其他先进制造技术的融合，如柔性制造系统、智能制造、大数据分析等，为制造业的发展提供了强大支持。

      1.2数控系统组成

　　数控系统是一种自动控制系统，主要实现对机床的运动控制和加工过程控制，一般由数控装置、伺服系统、检测系统和输入输出设备等组成。数控装置是数控机床的核心，实现接收和解析加工程序，生成相应的运动指令，用于驱动机床各个轴的运动。伺服系统是数控系统与机床本体间的电传动联系环节，包括伺服电机和伺服驱动器，根据数控装置发出的运动指令进行精确控制，实现机床各轴的定位与运动。检测系统主要包括各种传感器和测量设备，用于监测机床的运动状态、工件尺寸等信息，以便于实现闭环控制和保证加工精度。输入输出设备主要包括编程设备、显示器、操作面板等，方便操作者进行程序编写、数据输入、状态显示和控制操作。数控系统的性能和精度直接影响到数控机床的加工质量、生产效率和可靠性，因此在数控技术研究中具有重要地位。

　　1.3数控技术的发展趋势

　　国家“十四五”规划纲要中指出，深入实施制造强国战略。高精类数控机床是我国发展精密加工技术基础，面向高精类数控机床的设计技术水平是影响我国高端装备制造业的关键因素。研究机床定位精度和重复定位精度的提升方法，延长机床性能稳定期，使其在不同运行条件下完成多种高精度加工任务是重点研究领域。

　　2机床定位精度误差影响因素

　　2.1半闭环控制伺服系统误差

　　半闭环系统采用圆感应同步器等检测器，可以将检测器安装在丝杠末端或电动机轴端。半闭环系统通过检测丝杠或电动机的转角位置并进行反馈与驱动，半闭环伺服系统的结构图采用转角位移检测元件进行位置反馈。由于大部分机械传动环节未包括在检测范围内，螺距误差、反向间隙等因素未能得到及时校正，因此半闭环系统的定位精度相对较低。同时，机床移动部件和滚珠丝杠螺旋副的刚度及间隙都不在控制环内，在一定程度上影响了控制系统的稳定性。

　　2.2全闭环控制伺服系统误差

　　全闭环控制伺服系统指的是伺服系统在接收指令并执行的过程中，将位置检测元件放置在待测方向轴的移动部位上，直接检测传动误差，并将其反馈至数控系统。全闭环伺服系统将传动系统刚度、丝杠与导轨之间的摩擦力等因素纳入位置控制环内，可得到很高的机床静态定位精度，因此其定位精度相较半闭环伺服系统有所提高。

　　2.3机床导轨精度

　　数控设备导轨的刚度、安装基准面的公差对数控设备的精度具有直接影响，刚度包括导轨本身刚度和接触刚度。导轨刚度不足会影响导向精度，并导致导轨在使用过程中不断磨损，从而形成恶性循环。导轨的耐磨性决定了接触刚度，耐磨性受制作导轨副的材料匹配、导轨受力均匀性、导轨加工精度、润滑方式有效性以及导轨防护装置等因素影响。导轨制造过程中内应力释放是否完全也是影响精度的一个因素，当制造阶段内应力释放不完全，机床在工作过程中内应力释放将导致导轨滑块的安装基准发生变化，造成导轨滑块的非正常磨损，精度的保持性下降。

　　2.4误差传递与叠加

　　误差传递主要是指某一误差源在机床各轴之间的影响传递，例如在多轴联动加工中，一个轴的误差可能导致另一个轴的加工精度受到影响。误差叠加则是指多个误差源所产生的误差在加工过程中相互累积，导致最终加工精度的降低。在数控机床的运动和加工过程中，各种误差可能相互影响和传递。例如，机床的结构误差、热误差和伺服系统的跟踪误差等，都会在不同程度上影响加工过程中的定位精度和形状精度。

　　3机床定位精度监测方法

　　3.1激光干涉仪法

　　激光干涉仪测量法是利用干涉镜原理来进行定位精度测量，由激光器、分束器、反射镜和光电检测器等组件构成。在测量过程中，激光器发出的光束被分束器分为两束，其中一束作为参考光束，另一束作为测量光束。测量光束经过反射镜反射后与参考光束产生干涉，形成干涉条纹。光电检测器检测到干涉条纹的变化，将其转换为电信号并通过数据处理系统进行处理，从而获得机床工作台的位移信息。

　　3.2光栅尺法

　　光栅尺是一种高精度的位移测量设备，其原理是利用光的干涉和衍射现象，通过测量光束通过光栅的位移来实时监测机床的运动状态。光栅尺具有高精度、高分辨率和良好的线性特性，可以实现微米甚至纳米级别的位移测量。在数控机床的定位精度监测与补偿应用中，光栅尺通常安装在机床的各个轴上，与伺服系统相互配合，实时监测机床的运动状态。通过将光栅尺测量得到的实际位移与数控系统设定的目标位移进行比较，可以计算出定位误差。根据误差值，可以对数控系统的运动控制指令进行实时调整，实现动态补偿，从而提高数控机床的定位精度和加工精度。

　　3.3电磁感应法

　　电磁感应法的核心原理是根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中发生相对运动时，导体内将产生感应电动势。通过检测感应电动势的大小和变化，可以实时监测机床各轴的运动状态和位移信息。电磁感应式位移传感器通常安装在机床的各个轴上，由线圈和磁铁组成，当机床轴发生运动时，线圈在磁场中产生相对运动，从而产生感应电动势。通过对感应电动势的测量，可以实时获取机床各轴的位移信息。将测得的实际位移与数控系统设定的目标位移进行比较，可以计算出定位误差。根据误差值，可以对数控系统的运动控制指令进行实时调整。

　　3.4视觉测量法

　　视觉测量法是一种利用计算机视觉技术，进行数控机床定位精度监测与补偿的方法。视觉测量法主要利用高分辨率摄像头和图像处理算法，通过捕捉和分析工件或标准尺的图像信息，实时监测机床各轴的运动状态和位移信息。在数控机床的定位精度应用中，摄像头通常安装在机床的关键部位，对准工件表面或标准尺。在加工过程中，摄像头实时捕捉图像信息并传输至计算机系统。通过运用图像处理算法，如边缘检测、特征提取和匹配等，计算机系统能够从图像中提取出位移信息。视觉测量法具有非接触测量、自动化程度高、实时性强等优点，逐渐成为数控机床定位精度监测与补偿领域的研究热点。同时，随着计算机视觉技术的发展和成熟，视觉测量法在实际应用中的性能和精度将不断提高。

　　3.5其他监测方法

　　除了上述方法外，还有一些其他监测方法可用于数控机床定位精度监测与补偿。①激光干涉法。利用激光干涉仪产生的干涉信号，通过对激光干涉条纹的计数和分析，实现高精度的位移测量。激光干涉法具有非接触测量、高精度和高分辨率等优点，广泛应用于高精度数控机床的定位精度监测与补偿。②电容式位移传感器。是一种利用两个平行板间电容变化来测量位移的传感器。其原理是，当两个平行板间的距离发生变化时，电容值也随之发生变化。通过测量电容值的变化，可以实时获取机床各轴的位移信息。电容式位移传感器具有结构简单、分辨率高等优点，适用于数控机床定位精度监测与补偿。③声波测量法。是利用超声波在介质中的传播特性来测量位移的方法。通过发射和接收超声波信号，计算信号在介质中的传播时间和传播速度，从而实现位移测量。声波测量法具有非接触测量、抗干扰能力强等优点，适用于数控机床定位精度监测与补偿。

　　4机床定位精度补偿方法与技术

　　4.1机床定位精度补偿方法

　　4.1.1预测式补偿方法

　　预测式补偿方法是一种通过预测误差发生趋势，实现数控机床定位精度补偿的方法。该方法基于对机床历史误差数据的收集和分析，利用数学建模和预测算法，如回归分析、时间序列分析、神经网络等，对未来的误差变化进行预测。通过预测得到的误差值，可以提前对数控系统的运动控制指令进行调整，实现动态补偿。

　　4.1.2实时动态补偿方法

　　实时动态补偿方法是一种通过实时监测误差，并根据实际情况进行补偿的方法。在数控机床运动过程中，实时动态补偿方法利用各种监测手段（如光栅尺、电磁感应法等）实时获取机床各轴的位移信息，并与数控系统设定的目标位移进行比较，计算出定位误差。根据误差值，对数控系统的运动控制指令进行实时调整，从而实现动态补偿，提高数控机床的定位精度和加工精度。

　　4.1.3模型化补偿方法

　　模型化补偿方法是一种通过建立误差模型，实现数控机床定位精度补偿的方法。在模型化补偿方法中，通过对机床系统的深入分析，识别出影响定位精度的关键误差因素。然后，根据这些误差因素，建立误差模型，如几何误差模型、热变形误差模型等。通过对误差模型的参数进行估计和优化，可以预测和补偿机床在加工过程中的定位误差。

      4.1.4智能补偿方法

　　智能补偿方法主要利用模糊逻辑控制、神经网络、遗传算法等人工智能技术，对机床定位误差进行智能化的监测和调整。在智能补偿方法中，将监测到的误差信息输入到人工智能模型中，模型根据内部算法对误差进行处理和分析，并输出相应的补偿措施。根据输出结果，对数控系统的运动控制指令进行实时调整，实现动态补偿，提高数控机床的定位精度和加工精度。

　　4.2补偿策略

　　近年来，针对提高数控机床定位精度和降低定位误差相关技术，得到了广泛的关注和研究，其中应用最为广泛的是软件误差补偿方法。这种方法利用数控系统本身的特性，采用软件技术对机床误差进行补偿。激光干涉仪对数控机床的测量轴进行精度测量，经过数据处理后获得误差数据，将其传递至数控系统。数控系统对误差数据进行分析和处理，得出补偿值，然后根据补偿策略对数控机床进行误差补偿，以达到所需的精度。

　　子区间划分：根据补偿值n，将补偿间隔L平均划分为n+1等份，每个子区间长度为D=L/（n+1）。判断当前点位置：计算当前点坐标值与补偿间隔L的余数，判断当前点位于哪个补偿间隔内的长度S。判断补偿条件：判断当前位置是否满足补偿条件，即当前点是否处于补偿点位置。判断依据有三个：MOD（S，L）=0；S>D/2；S<L-D/2。因为如果当前点为补偿间隔点，那么MOD（S，L）结果也为0，但它并不是补偿点。计算补偿值：若当前点不处于补偿点位置，则当前点补偿值为0。若当前点处于补偿点位置，则根据补偿值的正负确定当前点补偿值为1或-1。返回当前点补偿值以供对当前点进行误差补偿。

　　4.3实例分析

　　本文主要以C31型数控机床为研究对象，选用Ranishew Lesar21作为测量设备，测量间隔设置为20°,共需进行10次测量，补偿间隔设定为1°,经过补偿前后的数据对比，得到以下结果。

　　①正向定位精度。补偿前误差系数为0.0877um/mm，误差值为20.1s；补偿后误差系数为0.0467um/mm，误差值为10.1s。②反向定位精度。补偿前误差系数为0.1478um/mm，误差值为31.1s；补偿后误差系数为0.0852um/mm，误差值为15.3s。③正向重复精度。补偿前误差系数为0.0952um/mm，误差值为21.2s；补偿后误差系数为0.0299um/mm，误差值为5.3s。④反向重复精度。补偿前误差系数为0.0751um/mm，误差值为14.6s；补偿后误差系数为0.0201um/mm，误差值为4.3s。通过对相关数据的分析，应用误差补偿后，机床的定位精度得到显著提升，从而确保了机床的加工质量，具有较高的推广价值。

　　5结语

　　本文从数控技术的发展背景出发，系统地阐述了数控机床定位精度监测及补偿的重要性，以及介绍了各类误差及其来源、不同的监测方法及补偿策略。数控机床定位精度监测及补偿技术，是提高加工精度和生产效率的关键手段。随着科技的进步，监测与补偿方法将不断发展和完善，为数控机床的精度提升提供更为有效的技术支持。