第8章-數(shù)控機(jī)床誤差與補(bǔ)償

1、1 第八章第八章 數(shù)控機(jī)床誤差與補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床誤差與補(bǔ)償 2 精度是機(jī)床的基礎(chǔ)，提高數(shù)控機(jī)床的精度首先是提高機(jī)床各精度是機(jī)床的基礎(chǔ)，提高數(shù)控機(jī)床的精度首先是提高機(jī)床各 部件的機(jī)械精度和動(dòng)態(tài)性能，但機(jī)械精度提高到一定程度后就部件的機(jī)械精度和動(dòng)態(tài)性能，但機(jī)械精度提高到一定程度后就 很難再提高了，或者成本太高難以應(yīng)用。很難再提高了，或者成本太高難以應(yīng)用。 通過(guò)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償數(shù)控系統(tǒng)對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償是有效的途徑，使用誤差補(bǔ)償是有效的途徑，使用誤差補(bǔ)償 技術(shù)可以很小的代價(jià)獲得技術(shù)可以很小的代價(jià)獲得“硬技術(shù)硬技術(shù)難以達(dá)到的精度水平和動(dòng)難以達(dá)到的精度水平和動(dòng) 態(tài)性能。態(tài)性能。 8.1 概述概述 3

2、cm 一、機(jī)床誤差的分類(lèi)一、機(jī)床誤差的分類(lèi) 機(jī)床誤差包括機(jī)床誤差包括幾何誤差、間隙誤差、熱誤差、摩擦誤差和幾何誤差、間隙誤差、熱誤差、摩擦誤差和 動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差五類(lèi)。五類(lèi)。 n 按誤差產(chǎn)生原因分類(lèi)按誤差產(chǎn)生原因分類(lèi) 上述誤差按誤差產(chǎn)生原因分類(lèi)：上述誤差按誤差產(chǎn)生原因分類(lèi)： 幾何誤差和間隙誤差幾何誤差和間隙誤差屬于屬于 機(jī)床本體誤差機(jī)床本體誤差，熱誤差、摩擦誤差和動(dòng)態(tài)誤差熱誤差、摩擦誤差和動(dòng)態(tài)誤差屬于屬于機(jī)床運(yùn)行機(jī)床運(yùn)行 誤差誤差。 n 按誤差的性質(zhì)分類(lèi)按誤差的性質(zhì)分類(lèi) 上述誤差按誤差的性質(zhì)分類(lèi)：上述誤差按誤差的性質(zhì)分類(lèi)： 幾何誤差幾何誤差屬于屬于靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差，熱熱 誤差誤差屬于屬于準(zhǔn)靜態(tài)

3、誤差準(zhǔn)靜態(tài)誤差，摩擦誤差和動(dòng)態(tài)誤差摩擦誤差和動(dòng)態(tài)誤差屬于屬于動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差，間間 隙誤差隙誤差雖然屬于機(jī)械系統(tǒng)誤差，但其在機(jī)床運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，雖然屬于機(jī)械系統(tǒng)誤差，但其在機(jī)床運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出來(lái)， 比較特殊。比較特殊。 8.1 概述概述 1、幾何誤差和熱誤差補(bǔ)償原理、幾何誤差和熱誤差補(bǔ)償原理 幾何誤差和熱誤差屬于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)誤差，因此可通過(guò)修正插幾何誤差和熱誤差屬于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)誤差，因此可通過(guò)修正插 補(bǔ)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法為：補(bǔ)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法為： 二、誤差補(bǔ)償原理二、誤差補(bǔ)償原理 幾何誤差幾何誤差 補(bǔ)償模塊補(bǔ)償模塊 伺服伺服 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) dCurCmdPos dGerErrData dTmpErrDa

4、ta dRealCmdPos 總線總線 接口接口 CNC 插補(bǔ)指令插補(bǔ)指令 位置位置 熱誤差熱誤差 補(bǔ)償模塊補(bǔ)償模塊 8.1 概述概述 3 cm 2、間隙和摩擦誤差補(bǔ)償原理、間隙和摩擦誤差補(bǔ)償原理 由于間隙和摩擦誤差宏觀表現(xiàn)和補(bǔ)償過(guò)程有很多相似之處，故由于間隙和摩擦誤差宏觀表現(xiàn)和補(bǔ)償過(guò)程有很多相似之處，故 經(jīng)常放在一起。經(jīng)常放在一起。 8.1 概述概述 3 cm 3、動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償原理、動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償原理 動(dòng)態(tài)誤差的產(chǎn)生是機(jī)床運(yùn)行時(shí)，由于伺服系統(tǒng)控制參數(shù)不合理動(dòng)態(tài)誤差的產(chǎn)生是機(jī)床運(yùn)行時(shí)，由于伺服系統(tǒng)控制參數(shù)不合理 或機(jī)械系統(tǒng)擾動(dòng)造成的，因此補(bǔ)償必須通過(guò)或機(jī)械系統(tǒng)擾動(dòng)造成的，因此補(bǔ)償必須通過(guò)伺服參數(shù)

5、優(yōu)化伺服參數(shù)優(yōu)化來(lái)解決來(lái)解決 ，伺服參數(shù)包括位置和速度前饋參數(shù)，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，伺服參數(shù)包括位置和速度前饋參數(shù)，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán) 控制參數(shù)，以及速度和電流濾波參數(shù)等?？刂茀?shù)，以及速度和電流濾波參數(shù)等。 伺服參數(shù)不合理造成的的誤差伺服參數(shù)不合理造成的的誤差伺服參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果伺服參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果 8.1 概述概述 8 一、幾何誤差分析與建模一、幾何誤差分析與建模 按幾何誤差的類(lèi)型分類(lèi)按幾何誤差的類(lèi)型分類(lèi) 移動(dòng)誤差移動(dòng)誤差 定位誤差，水平直線度定位誤差，水平直線度 垂直直線度垂直直線度 轉(zhuǎn)動(dòng)誤差轉(zhuǎn)動(dòng)誤差 滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差，偏擺誤差滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差，偏擺誤差 任一物體在空間中都具有任

6、一物體在空間中都具有六個(gè)自由度六個(gè)自由度，即沿空間坐標(biāo)軸，即沿空間坐標(biāo)軸X X、Y Y 、Z Z直線方向的直線方向的移動(dòng)自由度移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。 以以X X軸為例，移動(dòng)誤差包括水平直線度誤差，垂直直線度和定位軸為例，移動(dòng)誤差包括水平直線度誤差，垂直直線度和定位 誤差誤差 ，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差包括滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差和偏擺誤差。，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差包括滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差和偏擺誤差。 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 1. 幾何誤差分析幾何誤差分析 1 1）沿）沿X X軸移動(dòng)時(shí)，軸移動(dòng)時(shí)， 線性位移誤差線性位移誤差x(x)x(x)、Y Y向向 直線度誤差直線度誤差y (

7、x)y (x)、Z Z向直向直 線度誤差線度誤差z (x)z (x)、滾轉(zhuǎn)誤、滾轉(zhuǎn)誤 差差x (x)x (x)、偏擺誤差、偏擺誤差y (x)y (x) 和俯仰誤差和俯仰誤差z (x) z (x) ； 2 2）沿）沿Y Y軸移動(dòng)與沿軸移動(dòng)與沿Z Z軸移軸移 動(dòng)同理，因此動(dòng)同理，因此X X、Y Y、Z Z三三 個(gè)線性軸共有個(gè)線性軸共有1818項(xiàng)誤差項(xiàng)誤差 3 3）3 3軸之間的垂直度誤差軸之間的垂直度誤差xyxy、zxzx、yz yz 1. 幾何誤差分析幾何誤差分析 三個(gè)線性軸共三個(gè)線性軸共21項(xiàng)誤差項(xiàng)誤差 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 2. 幾何綜合誤差建模幾何綜合誤差建模 首先根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)

8、類(lèi)型，建首先根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)類(lèi)型，建 立機(jī)床坐標(biāo)系和各運(yùn)動(dòng)部件坐立機(jī)床坐標(biāo)系和各運(yùn)動(dòng)部件坐 標(biāo)系。標(biāo)系。 然后運(yùn)用然后運(yùn)用齊次坐標(biāo)變換方法齊次坐標(biāo)變換方法 ，計(jì)算得到機(jī)床的，計(jì)算得到機(jī)床的幾何綜合誤幾何綜合誤 差模型：差模型： ( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( ) ( )( )( )( ) xxxzyyxz yyyxxxyyz zzzx xxyzyxzxzyz yxyzzxzyxz zxyzyx 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 根據(jù)根據(jù)矢量變換原理矢量變換原理，將幾，將幾 何綜合誤差模型分解到各個(gè)何綜合誤差模型分解到各個(gè) 軸上。軸上。 _ ( , , ) ( )(

9、 )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) E x y z xyz Ex xEy xEz x Ex yEy yEz y Ex zEy zEz z 軸向幾何誤差軸向幾何誤差主要是主要是定位誤差。定位誤差。 軸間幾何誤差軸間幾何誤差主要是主要是垂直度誤差垂直度誤差。 2. 幾何綜合誤差建模幾何綜合誤差建模 軸向誤差軸向誤差 軸間誤差軸間誤差 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 1、螺距、螺距/光柵誤差光柵誤差 對(duì)于螺距測(cè)量，將測(cè)量行程對(duì)于螺距測(cè)量，將測(cè)量行程 平均分為平均分為N N個(gè)點(diǎn)，然后激光干涉?zhèn)€點(diǎn)，然后激光干涉 儀運(yùn)動(dòng)到第儀運(yùn)動(dòng)到第n n個(gè)點(diǎn)，獲得此點(diǎn)的個(gè)點(diǎn)，獲得此點(diǎn)的 正方向誤差，并

10、在該點(diǎn)正方向誤差，并在該點(diǎn)多次測(cè)量多次測(cè)量 求求誤差平均值誤差平均值，形成，形成雙向誤差補(bǔ)雙向誤差補(bǔ) 償償數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 二、幾何誤差測(cè)量二、幾何誤差測(cè)量 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 2、軸向、軸間誤差測(cè)量、軸向、軸間誤差測(cè)量 右圖是對(duì)角線法測(cè)量原右圖是對(duì)角線法測(cè)量原 理圖。理圖。 測(cè)量測(cè)量3 3組對(duì)角線，解方組對(duì)角線，解方 程組，可得到所需的補(bǔ)償程組，可得到所需的補(bǔ)償 值：值： E Ex(x)x(x)、 E Ex(y) x(y) 、 E Ex(z) x(z) 、 E Ey(y)y(y)、 E Ey(x)y(x)、 E Ey(z)y(z)、 E Ez(z) z(z) 、 E Ez(x) z

11、(x) 、 E Ez(y)z(y)。 利用激光干涉儀測(cè)量機(jī)床各個(gè)軸的利用激光干涉儀測(cè)量機(jī)床各個(gè)軸的2121項(xiàng)幾何誤差項(xiàng)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)項(xiàng)幾何誤差項(xiàng)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn) 換形成單軸誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)和軸關(guān)系誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。換形成單軸誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)和軸關(guān)系誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 首先利用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)首先利用測(cè)量得到的數(shù)據(jù) 建立補(bǔ)償表文件建立補(bǔ)償表文件( (文本文件文本文件) )， 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將補(bǔ)償表文件讀入系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將補(bǔ)償表文件讀入 數(shù)控系統(tǒng)，建立補(bǔ)償數(shù)組。機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，建立補(bǔ)償數(shù)組。機(jī) 床返回參考點(diǎn)后，床返回參考點(diǎn)后，利用利用查表查表+ + 線性插值線性插值等方法，在每個(gè)插補(bǔ)等方法，在每個(gè)插補(bǔ)

12、周期對(duì)插補(bǔ)指令進(jìn)行修正。周期對(duì)插補(bǔ)指令進(jìn)行修正。 文件格式：基準(zhǔn)軸、補(bǔ)償軸、初始位置、終點(diǎn)位置、補(bǔ)償點(diǎn)距文件格式：基準(zhǔn)軸、補(bǔ)償軸、初始位置、終點(diǎn)位置、補(bǔ)償點(diǎn)距 離、補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償值；離、補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償值； 文件可包含多個(gè)補(bǔ)償數(shù)組，同一個(gè)基準(zhǔn)軸可補(bǔ)償多個(gè)補(bǔ)償軸文件可包含多個(gè)補(bǔ)償數(shù)組，同一個(gè)基準(zhǔn)軸可補(bǔ)償多個(gè)補(bǔ)償軸 三、幾何誤差補(bǔ)償三、幾何誤差補(bǔ)償 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 幾何誤差補(bǔ)償方法原理圖幾何誤差補(bǔ)償方法原理圖 8.2 幾何誤差補(bǔ)償幾何誤差補(bǔ)償 17 8.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 一、熱誤差的分類(lèi)一、熱誤差的分類(lèi) 1、按熱誤差的表現(xiàn)分類(lèi)、按熱誤差的表現(xiàn)分類(lèi) 平移型熱誤差平移型熱誤差 x

13、y y 扭轉(zhuǎn)型熱誤差扭轉(zhuǎn)型熱誤差 平移型熱誤差可以通過(guò)誤差補(bǔ)償消除平移型熱誤差可以通過(guò)誤差補(bǔ)償消除 扭轉(zhuǎn)型熱誤差不可以通過(guò)誤差補(bǔ)償消除扭轉(zhuǎn)型熱誤差不可以通過(guò)誤差補(bǔ)償消除 因此，在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)總是希望通過(guò)熱均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得熱因此，在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)總是希望通過(guò)熱均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得熱 誤差方向一致，不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)型熱誤差誤差方向一致，不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)型熱誤差 一、熱誤差的分類(lèi)一、熱誤差的分類(lèi) 2、按熱誤差發(fā)生的部位分類(lèi)、按熱誤差發(fā)生的部位分類(lèi) 主軸系統(tǒng)熱誤差主軸系統(tǒng)熱誤差 z z 進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差 主軸系統(tǒng)熱誤差與工作臺(tái)位置無(wú)關(guān)，只與溫度相關(guān)主軸系統(tǒng)熱誤差與工作臺(tái)位置無(wú)關(guān)，只與溫度相關(guān) 進(jìn)給系統(tǒng)熱

14、誤差除了與溫度相關(guān)之外，還與工作臺(tái)的當(dāng)前進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差除了與溫度相關(guān)之外，還與工作臺(tái)的當(dāng)前 位置相關(guān)位置相關(guān) 因此，需要根據(jù)不同的熱誤差形式進(jìn)行補(bǔ)償因此，需要根據(jù)不同的熱誤差形式進(jìn)行補(bǔ)償 x 8.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 二、熱誤差的測(cè)量二、熱誤差的測(cè)量 1、主軸熱變形的測(cè)量、主軸熱變形的測(cè)量 主軸系統(tǒng)熱誤差測(cè)量主軸系統(tǒng)熱誤差測(cè)量 z z 首先在主軸表面布置多個(gè)溫度傳感器首先在主軸表面布置多個(gè)溫度傳感器 在主軸端面布置在主軸端面布置非接觸式位移傳感器非接觸式位移傳感器，讓主軸連續(xù)運(yùn)行，讓主軸連續(xù)運(yùn)行， 同時(shí)采集各溫度傳感器溫度信號(hào)和位移傳感器位移信號(hào)同時(shí)采集各溫度傳感器溫度信號(hào)和位移傳感器位移

15、信號(hào) 溫度傳感器溫度傳感器 位移傳感器位移傳感器 在主軸端面布置在主軸端面布置接觸式位移傳感器接觸式位移傳感器，讓主軸連續(xù)運(yùn)行一段，讓主軸連續(xù)運(yùn)行一段 時(shí)間后，記錄一次各溫度傳感器數(shù)據(jù)，測(cè)量一次熱變形。時(shí)間后，記錄一次各溫度傳感器數(shù)據(jù)，測(cè)量一次熱變形。 8.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 8.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 二、熱誤差的測(cè)量二、熱誤差的測(cè)量 2、進(jìn)給軸熱變形的測(cè)量、進(jìn)給軸熱變形的測(cè)量 進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差測(cè)量進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差測(cè)量 x 溫度傳感器溫度傳感器 溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器 首先在絲杠首先在絲杠兩端軸承兩端軸承和和螺母副螺母副處布置溫度傳感器處布置溫度傳感器 讓機(jī)床工作運(yùn)動(dòng)一

16、段時(shí)間，采用光柵或激光干涉儀測(cè)量讓機(jī)床工作運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，采用光柵或激光干涉儀測(cè)量進(jìn)進(jìn) 給軸某位置處給軸某位置處的定位誤差的定位誤差 三、熱誤差建模三、熱誤差建模 通過(guò)熱誤差測(cè)量可得到多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值和熱誤差值，通過(guò)熱誤差測(cè)量可得到多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值和熱誤差值， 由于測(cè)溫點(diǎn)比較多，所以需要對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，找出由于測(cè)溫點(diǎn)比較多，所以需要對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，找出熱敏感熱敏感 點(diǎn)點(diǎn)，然后用線性回歸的方法建立，然后用線性回歸的方法建立誤差值與熱敏感點(diǎn)誤差值與熱敏感點(diǎn)之間的函數(shù)之間的函數(shù) 關(guān)系。關(guān)系。 模糊聚類(lèi)方法模糊聚類(lèi)方法 優(yōu)化測(cè)溫點(diǎn)優(yōu)化測(cè)溫點(diǎn) 00 ( )( ).() xx KK TtgtPP 8

17、.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 四、熱誤差補(bǔ)償方法四、熱誤差補(bǔ)償方法 指令位置指令位置 顯示位置顯示位置 電機(jī)指令位置電機(jī)指令位置運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制 K0、tan、P0 位置反饋位置反饋 + - 選擇開(kāi)關(guān)選擇開(kāi)關(guān) RS232PLC 溫度采集溫度采集 獨(dú)立獨(dú)立 補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置 熱誤差補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)框圖熱誤差補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)框圖 8.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 五、熱誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)五、熱誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn) 熱誤差補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)熱誤差補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng) 0-4 0-4通道測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)和主軸熱誤差數(shù)據(jù)通道測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)和主軸熱誤差數(shù)據(jù) 熱誤差補(bǔ)償結(jié)果熱誤差補(bǔ)償結(jié)果 Z=-82.0940-0.5159T1- 0.3879T3+6.4780T9

18、8.3 熱誤差補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償 25 一、間隙產(chǎn)生原因及影響一、間隙產(chǎn)生原因及影響 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 機(jī)床滾珠絲杠與螺母副之間存機(jī)床滾珠絲杠與螺母副之間存 在間隙，不能緊密接觸，產(chǎn)生在間隙，不能緊密接觸，產(chǎn)生 軸竄動(dòng)。軸竄動(dòng)。 隨著機(jī)床的使用，磨損逐漸加隨著機(jī)床的使用，磨損逐漸加 劇，產(chǎn)生間隙。劇，產(chǎn)生間隙。 影響：影響： 工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn)而工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn)而 工作臺(tái)并不運(yùn)動(dòng)，造成工作臺(tái)并不運(yùn)動(dòng)，造成D/2D/2 的定位誤差，影響機(jī)床精度的定位誤差，影響機(jī)床精度 間隙過(guò)大時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變間隙過(guò)大時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變 差差,發(fā)生振蕩發(fā)生振蕩 解決方案：解決方案： 采用高精度的滾

19、珠絲杠采用高精度的滾珠絲杠 安裝絲杠時(shí)進(jìn)行預(yù)緊安裝絲杠時(shí)進(jìn)行預(yù)緊 用數(shù)控系統(tǒng)指令補(bǔ)償間隙用數(shù)控系統(tǒng)指令補(bǔ)償間隙 8.4 間隙誤差補(bǔ)償間隙誤差補(bǔ)償 無(wú)間隙無(wú)間隙 二、間隙誤差的測(cè)量二、間隙誤差的測(cè)量 根據(jù)光柵反饋值與位置指令之差，測(cè)得機(jī)床反向間隙誤差根據(jù)光柵反饋值與位置指令之差，測(cè)得機(jī)床反向間隙誤差D 反向間隙測(cè)量反向間隙測(cè)量 根據(jù)激光干涉儀測(cè)得的機(jī)床實(shí)際位置與位置指令之差，測(cè)根據(jù)激光干涉儀測(cè)得的機(jī)床實(shí)際位置與位置指令之差，測(cè) 得機(jī)床反向間隙誤差得機(jī)床反向間隙誤差D 8.4 間隙誤差補(bǔ)償間隙誤差補(bǔ)償 三、間隙誤差的補(bǔ)償三、間隙誤差的補(bǔ)償 正向正向負(fù)向時(shí)，全部行程之內(nèi)都補(bǔ)償負(fù)向時(shí)，全部行程之內(nèi)都補(bǔ)

20、償D/2 負(fù)向負(fù)向正向時(shí)，全部行程之內(nèi)都補(bǔ)償正向時(shí)，全部行程之內(nèi)都補(bǔ)償-D/2 1、間隙較小時(shí)的補(bǔ)償方法、間隙較小時(shí)的補(bǔ)償方法 正向運(yùn)動(dòng)正向運(yùn)動(dòng) 反向運(yùn)動(dòng)反向運(yùn)動(dòng) 時(shí)間時(shí)間 補(bǔ)償值補(bǔ)償值 -D/2-D/2 D/2D/2 8.4 間隙誤差補(bǔ)償間隙誤差補(bǔ)償 當(dāng)當(dāng)D較大時(shí)，會(huì)造成電機(jī)加速度過(guò)大，系統(tǒng)不平穩(wěn)，產(chǎn)生較大時(shí)，會(huì)造成電機(jī)加速度過(guò)大，系統(tǒng)不平穩(wěn)，產(chǎn)生 振蕩；控制器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象；產(chǎn)生跟隨誤差。振蕩；控制器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象；產(chǎn)生跟隨誤差。 間隙補(bǔ)償值變化情況間隙補(bǔ)償值變化情況 解決方案：解決方案： 間隙補(bǔ)償量增量式增長(zhǎng)：在一間隙補(bǔ)償量增量式增長(zhǎng)：在一 定的插補(bǔ)周期內(nèi)，逐步增加補(bǔ)償定的插補(bǔ)周期內(nèi)，逐步增

21、加補(bǔ)償 量，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償值的跳躍，而避免量，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償值的跳躍，而避免 了一個(gè)周期內(nèi)補(bǔ)償值大的變化。了一個(gè)周期內(nèi)補(bǔ)償值大的變化。 2、間隙較大時(shí)的補(bǔ)償方法、間隙較大時(shí)的補(bǔ)償方法 8.4 間隙誤差補(bǔ)償間隙誤差補(bǔ)償 間隙補(bǔ)償過(guò)程中，補(bǔ)償量的符號(hào)會(huì)在反向點(diǎn)處發(fā)生變化，間隙補(bǔ)償過(guò)程中，補(bǔ)償量的符號(hào)會(huì)在反向點(diǎn)處發(fā)生變化， 因此準(zhǔn)確地判斷反向點(diǎn)至關(guān)重要。因此準(zhǔn)確地判斷反向點(diǎn)至關(guān)重要。 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部提供的位置插補(bǔ)命令，可以準(zhǔn)確判斷反根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部提供的位置插補(bǔ)命令，可以準(zhǔn)確判斷反 向點(diǎn)。向點(diǎn)。 當(dāng)前插補(bǔ)周期的位置命令為當(dāng)前插補(bǔ)周期的位置命令為y yi i，上一插補(bǔ)周期的位置插補(bǔ)，上一插補(bǔ)周期的位置插補(bǔ) 命令

22、為命令為y yi-1 i-1； ； =yi- yi-1 0 0 工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng); ; 0,=變?yōu)樽優(yōu)?，或由，或由= 則認(rèn)為發(fā)生反向，該點(diǎn)可以認(rèn)為是反向點(diǎn)。則認(rèn)為發(fā)生反向，該點(diǎn)可以認(rèn)為是反向點(diǎn)。 四、反向點(diǎn)的判斷四、反向點(diǎn)的判斷 8.4 間隙誤差補(bǔ)償間隙誤差補(bǔ)償 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比： 補(bǔ)償前，編碼器位置信補(bǔ)償前，編碼器位置信 號(hào)輪廓精度較好，光柵號(hào)輪廓精度較好，光柵 位置信號(hào)輪廓誤差較大位置信號(hào)輪廓誤差較大 補(bǔ)償后，光柵位置信號(hào)補(bǔ)償后，光柵位置信號(hào) 誤差較小誤差較小 機(jī)床實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：機(jī)床實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比： 相比于補(bǔ)償前，補(bǔ)償后相比于補(bǔ)償前，補(bǔ)償后 誤差校正量正確地施

23、加誤差校正量正確地施加 于系統(tǒng)中于系統(tǒng)中 五、間隙補(bǔ)償驗(yàn)證五、間隙補(bǔ)償驗(yàn)證 8.4 間隙誤差補(bǔ)償間隙誤差補(bǔ)償 32 工作臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜摩擦占工作臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜摩擦占 主導(dǎo)地位。主導(dǎo)地位。 工作臺(tái)速度較高時(shí)，體現(xiàn)為與工作臺(tái)速度較高時(shí)，體現(xiàn)為與 方向相關(guān)的庫(kù)侖摩擦和與速度相方向相關(guān)的庫(kù)侖摩擦和與速度相 關(guān)的粘性摩擦關(guān)的粘性摩擦(阻尼阻尼)。 兩者之間呈現(xiàn)劇烈的非線性特兩者之間呈現(xiàn)劇烈的非線性特 性。性。 Stribeck摩擦力模型摩擦力模型 一、摩擦力特性分析一、摩擦力特性分析 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) 二、摩擦誤差產(chǎn)生原因二、摩擦誤差產(chǎn)生原因 高速時(shí)高速時(shí)，速度指令大，速度指

24、令大電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于摩擦力，不會(huì)造成摩擦電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于摩擦力，不會(huì)造成摩擦 誤差。誤差。低速時(shí)低速時(shí)，速度指令小，速度指令小電機(jī)轉(zhuǎn)矩小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)轉(zhuǎn)矩小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于 摩擦力時(shí)，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)，但工作臺(tái)并不運(yùn)動(dòng)，造成摩擦力時(shí)，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)，但工作臺(tái)并不運(yùn)動(dòng)，造成摩擦誤差摩擦誤差 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于摩擦力時(shí)，能量被傳動(dòng)系統(tǒng)彈性環(huán)節(jié)儲(chǔ)存起當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于摩擦力時(shí)，能量被傳動(dòng)系統(tǒng)彈性環(huán)節(jié)儲(chǔ)存起 來(lái)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于摩擦力時(shí)，由于靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力來(lái)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于摩擦力時(shí)，由于靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力 使得能量釋放，造成使得能量釋放，造成系統(tǒng)振蕩。系統(tǒng)振蕩。 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) 二、摩擦誤

25、差產(chǎn)生原因二、摩擦誤差產(chǎn)生原因 工作臺(tái)改變方向時(shí)速度為工作臺(tái)改變方向時(shí)速度為0 0，靜摩擦力最大，摩擦誤差最大，靜摩擦力最大，摩擦誤差最大， 因此常把摩擦誤差稱(chēng)為過(guò)象限誤差，摩擦誤差補(bǔ)償也通常從因此常把摩擦誤差稱(chēng)為過(guò)象限誤差，摩擦誤差補(bǔ)償也通常從 反向點(diǎn)處開(kāi)始。反向點(diǎn)處開(kāi)始。 摩擦導(dǎo)致的過(guò)象限誤差摩擦導(dǎo)致的過(guò)象限誤差 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) 三、減小摩擦誤差的方法三、減小摩擦誤差的方法 1、減小傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦力、減小傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦力 采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌或磁懸浮導(dǎo)軌采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌或磁懸浮導(dǎo)軌 減小系統(tǒng)摩擦力，同時(shí)降低動(dòng)摩擦和靜摩擦力差

26、異，提高進(jìn)給減小系統(tǒng)摩擦力，同時(shí)降低動(dòng)摩擦和靜摩擦力差異，提高進(jìn)給 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。但采用高性能導(dǎo)軌將極大地提高機(jī)床成本。采用高性能導(dǎo)軌將極大地提高機(jī)床成本。 2、提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛度、提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)剛度 通過(guò)提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)剛度，當(dāng)通過(guò)提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)剛度，當(dāng) 摩擦誤差產(chǎn)生時(shí)，小的誤差信號(hào)能夠及時(shí)、足夠地調(diào)整到電機(jī)摩擦誤差產(chǎn)生時(shí)，小的誤差信號(hào)能夠及時(shí)、足夠地調(diào)整到電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電流。但高剛度容易引起系統(tǒng)振蕩。驅(qū)動(dòng)電流。但高剛度容易引起系統(tǒng)振蕩。 減小伺服驅(qū)動(dòng)器各控制環(huán)的控制周期也有利于提高系統(tǒng)的響減小伺服驅(qū)動(dòng)器各控制環(huán)的控制周期也有

27、利于提高系統(tǒng)的響 應(yīng)速度。但減小控制周期對(duì)數(shù)控裝置的硬件性能要求較高。應(yīng)速度。但減小控制周期對(duì)數(shù)控裝置的硬件性能要求較高。 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) 1) 摩擦補(bǔ)償原理摩擦補(bǔ)償原理 在機(jī)床反向處的短暫時(shí)間內(nèi)，向各控制環(huán)施加補(bǔ)償量，增加在機(jī)床反向處的短暫時(shí)間內(nèi)，向各控制環(huán)施加補(bǔ)償量，增加 電機(jī)轉(zhuǎn)矩以克服摩擦力。補(bǔ)償量施加的位置有：電機(jī)轉(zhuǎn)矩以克服摩擦力。補(bǔ)償量施加的位置有： 位置環(huán)：施加位置校正量，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，動(dòng)態(tài)特性較差；位置環(huán)：施加位置校正量，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，動(dòng)態(tài)特性較差； 速度環(huán)：施加速度校正量，增加電機(jī)輸出扭矩，效果較好；速度環(huán)：施加速度校正量，增加電機(jī)輸出扭矩，效果較好；

28、 電流環(huán)：施加電流補(bǔ)償量，直接校正扭矩，抗干擾能力差；電流環(huán)：施加電流補(bǔ)償量，直接校正扭矩，抗干擾能力差； 3、摩擦誤差補(bǔ)償、摩擦誤差補(bǔ)償 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) 2) 摩擦補(bǔ)償方法摩擦補(bǔ)償方法 恒值摩擦補(bǔ)償：恒值摩擦補(bǔ)償：補(bǔ)償時(shí)間內(nèi)摩擦補(bǔ)償值為穩(wěn)定不變的數(shù)值，補(bǔ)償時(shí)間內(nèi)摩擦補(bǔ)償值為穩(wěn)定不變的數(shù)值， 不隨外界條件的改變而變化。不隨外界條件的改變而變化。 自適應(yīng)摩擦補(bǔ)償：自適應(yīng)摩擦補(bǔ)償：在數(shù)控機(jī)床的允許加速度范圍內(nèi)，摩擦的在數(shù)控機(jī)床的允許加速度范圍內(nèi)，摩擦的 補(bǔ)償量根據(jù)加工參數(shù)，自動(dòng)變化并取得最優(yōu)補(bǔ)償值。補(bǔ)償量根據(jù)加工參數(shù)，自動(dòng)變化并取得最優(yōu)補(bǔ)償值。 xdFriCompMa a

29、 a 1 xdFriCompMa 23 )( aa axdFriCompMandFriCompMi xdFriCompMa ndFriCompMi 0aa1 a1aa2 a2aa3 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) 3) 摩擦補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)論證摩擦補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)論證 實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象 大連機(jī)床廠車(chē)銑復(fù)合中心大連機(jī)床廠車(chē)銑復(fù)合中心 補(bǔ)償前補(bǔ)償前 Delta R=14.529m 補(bǔ)償后補(bǔ)償后 Delta R=3.956m 8.5 摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù)摩擦誤差補(bǔ)償技術(shù) Gf 一、基本概念一、基本概念 8.6 伺服參數(shù)優(yōu)化伺服參數(shù)優(yōu)化 1、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制參數(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制參數(shù) 位置環(huán)增益位置環(huán)增益P 電流環(huán)電流環(huán)P或或PI 速度環(huán)速度環(huán)PI 前饋系數(shù)前饋系數(shù) 數(shù)控機(jī)床通過(guò)調(diào)節(jié)三個(gè)控制環(huán)參數(shù)和前饋系數(shù)來(lái)調(diào)整動(dòng)態(tài)性能數(shù)控機(jī)床通過(guò)調(diào)節(jié)