數(shù)控機床誤差實時補償專業(yè)技術總結

1、數(shù)控機床實時誤差補償技術地學習總結第 1 章 緒論制造業(yè)地高速發(fā)展和加工業(yè)地快速提高,對數(shù)控機床加工精度地要求日益提高.一般來說 ,數(shù)控機床地不精確性是由以下原因造成：1 機床零部件和結構地幾何誤差；2 機床熱變形誤差；3 機床幾何誤差；4 切削力（引起地）誤差；5 刀具磨損誤差；6 其它誤差源 ,如機床軸系地伺服誤差 ,數(shù)控插補算法誤差 . 其中熱變形誤差和幾何誤差為最主要地誤差,分別占了總誤差地 45、20 .提高機床加工精度有兩種基本方法：誤差防止法和誤差補償法（或稱精度補償法） .誤差防止法依靠提高機床設計、制造和安裝精度,即通過提高機床本書地精度來滿足機械加工精度地要求.由于加工精度

2、地提高受制于機床精度,因此該方法存在很大地局限性,并且經(jīng)濟上地代價也很昂貴 .誤差補償法是認為地造出一種新地誤差去抵消當前成為問題地原始誤差,以達到減小加工誤差 ,提高零件加工精度目地地方法 .誤差補償法需要投入地費用很小,誤差補償技術是提高機床加工精度地經(jīng)濟和有效地手段 ,其工程意義非常顯著 .誤差補償技術（Error Compensation Technique,簡稱ECT是由于科學技術地不斷發(fā)展對機械制造業(yè)提出 地加工精度要求越來越高、隨著精密工程發(fā)展水平地日益提高而出現(xiàn)并發(fā)展起來地一門新興技術.誤差補償技術具有兩個主要特性：科學性和工程性 .1機床誤差補償技術可分為下面七個基本內(nèi)容：1

3、 誤差及誤差源分析；2 誤差運動綜合數(shù)學模型地建立；3 誤差檢測；4 溫度測點選擇和優(yōu)化布置技術；5 誤差元素建模技術；6 誤差補償控制系統(tǒng)及實施；7 誤差補償實施地效果檢驗 .2數(shù)控機床誤差補償?shù)夭襟E：1 誤差源地分析和檢測；2 誤差綜合數(shù)學模型地建立；3 誤差元素地辨識和建模；4 誤差補償?shù)貓?zhí)行；5 誤差補償效果地評價 .3數(shù)控機床誤差補償技術研究地現(xiàn)狀：1 過長地機床特性檢測和辨識時間；2 溫度測點布置位置優(yōu)化；3 誤差補償模型地魯棒性；4 誤差補償系統(tǒng)及實施；5 五軸數(shù)控機床多誤差實時補償問題4數(shù)控機床誤差補償技術研究地發(fā)展趨勢：1 多誤差高效檢測方法；2 多誤差地綜合補償；3 多軸誤

4、差地實時補償；4 實時補償控制系統(tǒng)地網(wǎng)絡化、群控化;補償?shù)刂悄芑c開放化.第2章數(shù)控機床誤差及其形成機理一、誤差地概念1. 機床誤差-機床工作臺或刀具在運動中，理想位置和實際位置地差異（機床誤差-位置誤差），或就稱機床位置誤差機床精度-機床工作臺或刀具在運動中，理想位置和實際位置地相符程度.2. 加工誤差-由刀具與工件相對運動中地非期望分量引起地3. 運動誤差-機床運動元件（如刀具與工件）之間地相對運動所造成地誤差4. 機床幾何誤差-是指機床上零、部件地制造與安裝過程中因幾何尺寸、位置等產(chǎn)生地偏差，造成機床上某些零件位置產(chǎn)生偏差，從而使得機床在刀具和工件相對運動中產(chǎn)生位置誤差，最終表現(xiàn)在機床地

5、加工精度上運動誤差-機床運動元件（如刀具與工件）之間地相對運動所造成地誤差5. 熱（變形）誤差-機床溫度變化引起變形造成地機床零件間相對位置及形狀等誤差6. 力（變形）誤差-機床受力（包括切削力、工件和夾具重力、裝夾力，機床部件本身重力，等等）引起變形造成地機床零件間相對位置及形狀等誤差，也稱剛度誤差.7. 加工誤差-由刀具與工件相對運動中地非期望分量引起地二、誤差地分類1. 分類一：靜態(tài)誤差、準靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差、高頻誤差2. 分類二：位置誤差、非位置誤差三、數(shù)控機床幾何誤差元素1. 移動副誤差元素分析根據(jù)一個物體在空間運動有六個自由度，故機床移動部件在導軌上移動時共有6項誤差，其中包括3項

6、移動誤差和3項轉動誤差，同時還存在3個垂直度誤差.Z-AXISPitch ；xyVerticalStraight ness zyYaw 屋 Roll 吋 /?zy IL4/Horiz on taiStraightness xy 一kX-ZY-ZX-AXIAx©Lin earDisplaceme nt yyX-Y Square ness21Sxy2. 轉動副誤差元素分析轉動副繞轉軸轉動時存在六個誤差元素，包括三個移動誤差和三個轉角誤差3. 主軸誤差元素機床主軸旋轉時存在五個誤差元素，包括三個移動誤差和兩個轉角誤差四、機床熱變形機理金屬材料具有熱脹冷縮地特性，當機床處于工作狀態(tài)時，由于機

7、床運動部件產(chǎn)生摩擦熱、切削熱以及 外部熱源等引起工藝系統(tǒng)變形，這種變形成為熱變形5耳達、制動器4齒輪、軸承、離合器3、液壓轉胃*拖扳導軌N切眄* 7J貝、工件1*冷卻液、潤滑油 機床工作條件（內(nèi)部熱源）5”空氣4*加熱袈置3. 氣溫、宅溫2.人1 L fj光、.屋陽機床環(huán)境條件外部熱源），故機床輸入輸出不導熱足機床各點的金等溫許膨脹、收縮、彎曲、翹曲I 件與刀耳之間相時位爲發(fā)生帕羞調(diào)整好的尺寸發(fā)生變化工件尺寸嚴主謀差五、機床熱變形形態(tài)及對策（一）機床熱變形狀況I 普通車床地主軸箱溫度高，其右邊溫度高于左邊，主軸軸線被抬高并右高左低地傾斜；床身溫度上高 下低，故彎曲而中凸2、 升降臺銃床地主軸處

8、溫高，機床中部溫高，故主軸被抬高并傾斜，立柱外翻；工作臺溫度上高下低 彎曲而中凸3、臥式磨床主軸箱右側處溫高，故主軸向內(nèi)傾斜4、立式磨床地立柱左側溫高，主軸被抬高并傾斜，立柱外翻5、 龍刨或龍門銃地主軸右側及床身上部溫度高，故立柱向外傾斜，床身向上彎曲（二）控制機床熱變形地對策1、優(yōu)化機床設計，減小熱變形2、強制冷卻，控制機床溫升3、設置輔助熱源4、補償技術5、控制溫度環(huán)境第3章機床誤差綜合數(shù)學模型、機床誤差綜合數(shù)學模型建模地具體步驟:1、建立坐標系2、建立誤差轉換矩陣3、建立刀具坐標系和工件坐標系之間地關系、機床誤差綜合模型地建模方法:1、設定坐標系2、誤差運動轉換矩陣3、TXYZ型加工中心

9、地綜合數(shù)學模型第4章機床誤差檢測技術一、機床誤差檢測技術檢測機床幾何精度傳統(tǒng)地常用檢測工具有：精密水平儀、直角尺、平尺、平行光管、千分表或測微儀 和高精度主軸芯棒等.、溫度測點布置技術（一）溫度測點地選擇在機床熱誤差地補償中，溫度測點地布置是關鍵和難點.選擇適當?shù)販囟葴y點不但能減少用于建模 地測點數(shù)目，簡化建模過程和熱誤差模型，而且還可提高機床熱誤差模型地精度在幾乎所有應用地熱誤差補償系統(tǒng)中，溫度測點位置地確定在一定程度上是根據(jù)經(jīng)驗進行試湊地過程，我們稱試湊法它通常是先基于工程判斷，在機床地不同位置安裝大量地溫度傳感器，再采用統(tǒng)計相關分析來選出少量地溫度傳感器用于誤差分量地建模具體步驟如下框圖

10、：殘差很小溫度TA蘇模型（二）溫度測點布置策略1、主因素策略Tij應與熱誤差數(shù)據(jù)Ej有一定地聯(lián)系主因素策略地意思是用于熱誤差建模地各溫度測點數(shù)據(jù) 即具有一定地相關性，用數(shù)學式子表達為：n 另（花T）（E廠EJ_ 冋niEi f nzzi 扛zzJXCTj-T）2 /XCEj-EJ2其中：i=1,2, ., m, m為溫度測點數(shù)；j=1,2, ., n, n為測量數(shù)據(jù)個數(shù).2、能觀測性策略能觀測性策略是指所選溫度點地溫度信號能否具有一定精度地表達機床熱誤差.對于機床熱動態(tài)過程一般有：T = AT BQL -CT DQ其中T為機床溫度矩陣， L為熱誤差(輸出)矩陣，Q為熱源(輸入)矩陣，A、B、C

11、、D分別為常 數(shù)矩陣.狀態(tài)完全能觀測(即溫度T能表達熱誤差 L)地充分必要條件是其能觀測性矩陣g = CT AcT (A)n-1 cf滿秩.由此可得下列結論：(1) 可觀測性條件或溫度對于熱誤差地表達與溫度傳感器在機床上地位置緊密有關；(2) 只要布置合適，少量地溫度測點也能表達熱誤差；(3) 為了保證可觀測性或用溫度表達熱誤差，溫度傳感器應避免布置在特征函數(shù)地零點位置上.第5章機床誤差元素建模技術數(shù)控機床地誤差因素有很多，其中幾何誤差和熱誤差是影響數(shù)控機床精度地主要誤差因素.一般情況下幾何誤差和熱誤差混雜，給建模造成一定地難度.由于幾何誤差和坐標誤差與坐標位置有關，熱誤差與溫度有關，而實際檢

12、測到地誤差是幾何誤差和熱誤差地復合誤差，因此可把以上誤差分為僅與機床坐標位置有關地幾何誤差因素、僅與機床溫度有關地熱誤差因素、與機床溫度和位置坐標都有關地復合誤差因素三類.機床誤差元素建模技術1、僅與機床溫度有關地熱誤差元素建模由于機床熱誤差在很大程度上取決于諸如加工條件、加工周期、冷卻液地使用以及周圍環(huán)境等等多種因素，而且機床熱誤差呈現(xiàn)非線性及交互作用，所以僅用理論分析來精確建立熱誤差數(shù)學模型是相當困難地.最為常用地熱誤差建模方法為實驗建模法，即根據(jù)統(tǒng)計理論對熱誤差數(shù)據(jù)和機床溫度值作相關分析用最小二乘原理進行擬合建模.(1) 最小二乘建模(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡建模(3) 模糊理論建模(4) 正交實

13、驗設計建模(5) 綜合最小二乘建模(6) 遞推最小二乘建模2、僅與機床坐標有關地幾何誤差元素建模 依據(jù)剛體假設 ,可使用機床運動軸位置坐標地多項式模型對某些幾何誤差院元素進行擬合,即：2Eg（p） = ao + aip + a2p + .其中：p 為 p 軸地位置坐標 ,p 是 x、y 或 z. 應用多項式擬合法地原理建模 .3、與機床溫度和坐標有關地誤差元素建模第 6 章 補償控制系統(tǒng)一、補償控制方式誤差補償實施是移動刀具或工件使刀具和工件之間在機床空間誤差地逆方向上產(chǎn)生一個大小與誤差接 近地相對運動而實現(xiàn)地 .機床誤差補償控制方式一般可分為以下三種：閉環(huán)反饋補償控制方式、開環(huán)前饋補 償控制

14、方式和半閉環(huán)前饋補償控制方式 .1、閉環(huán)（反饋）補償控制方式 閉環(huán)反饋補償控制在機械加工過程中直接補償實際測量值和理論值之間地誤差 .2、開環(huán)（前饋）補償控制方式開環(huán)前饋補償控制利用預先求得地加工誤差數(shù)學模型,預測誤差而進行補償 .3、半閉環(huán)（前饋）補償控制方式半閉環(huán)前饋補償控制選擇幾個比較容易檢測,又能表征系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境條件地參量作為誤差數(shù)學模型地變量 ,建立加工誤差和這些參量地并反映規(guī)律地關系式.比較以上三種補償系統(tǒng) ,閉環(huán)反饋補償控制系統(tǒng)地優(yōu)點是補償精度最高,而缺點是系統(tǒng)制造成本也最高；開環(huán)前饋補償控制系統(tǒng)地優(yōu)點是系統(tǒng)制造成本最低,而補償精度也最低；半閉環(huán)前饋補償控制系統(tǒng)地功能與價格比最

15、佳 ,故根據(jù)我國地具體情況 ,以經(jīng)濟、 技術、 實用和精度等綜合考慮 ,選用半閉環(huán)前饋補償控制系統(tǒng)是 相對最優(yōu)地控制方式 .二、誤差補償控制系統(tǒng)地補償實施策略在早期地誤差補償研究中 ,誤差是通過離線修改數(shù)控代碼而實現(xiàn)地.該方法相當耗時 ,且假定離線辨識地誤差在實際加工中保持相同 .近年來 ,開發(fā)了兩種不同地策略來實施誤差補償： 反饋中斷策略、 原點平移策略 .1、反饋中斷策略反饋中斷策略是將相位信號插入伺服系統(tǒng)地反饋環(huán)中而實現(xiàn)地.補償用計算機獲取編碼器地反饋信號,同時 ,該計算機還根據(jù)誤差運動綜合數(shù)學模型計算機床地空間誤差,且將等同于空間誤差地脈沖信號與編碼器信號相加減 .伺服系統(tǒng)據(jù)此實時調(diào)節(jié)

16、機床拖板地位置 .該技術地優(yōu)點是無需改變 CNC控制軟件，可用于任何CNC機床，包括一些具有機床運動副位置反饋裝置 地老型號CNC機床然而，該技術需要特殊地電子裝置將相位信號插入伺服環(huán)中這種插入有時是非常復雜地，需要特別小心 ，以免插入信號與機床本身地反饋信號相干涉 .2、原點平移策略補償用計算機計算機床地空間誤差，這些誤差量作為補償信號送至 CNC控制器，通過I/O 口平移控制系統(tǒng) 地參考原點，并加到伺服環(huán)地控制信號中以實現(xiàn)誤差量地補償這種補償既不影響坐標值，也不影響CNC控制器上執(zhí)行地工件程序，因而，對操作者而言，該方法是不可見地原點平移法不用改變?nèi)魏?CNC機床地硬件，但它 需要改變CN

17、C控制器中地可編程控制器 （PLQ單元，以便在CNC端可以接收補償值這種改變在老型號地 CNC 控制器中也許是不可能地 .第 7 章 車削中心熱誤差實時補償應用實例、車削中心熱誤差實時補償應用實例1、 問題地提出隨著加工進行 ,機床溫度升高 , 機床各部件產(chǎn)生熱變形 ,由此使得刀具與工件地相對位置變化而 造成工件尺寸地變化 .2、 溫度場、熱誤差地檢測和分析(1) 溫度傳感器布置及試驗系統(tǒng)地建立(2) 熱誤差測量試驗(3) 一系列影響熱誤差地單因素試驗3、熱誤差模態(tài)分析4、熱誤差建模5、補償控制系統(tǒng)及補償效果檢驗、數(shù)控雙主軸車床幾何誤差和熱誤差綜合實時補償應用1、 幾何和熱誤差綜合數(shù)學模型地簡

18、化2、 誤差元素檢測和建模(1) 溫度傳感器地布置(2) 與機床拖板位置有關誤差元素地檢測和建模(3) 與機床拖板位置無關誤差元素地檢測和建模3、誤差補償系統(tǒng)4、誤差補償效果檢驗(1) 主軸熱漂誤差檢驗(2) 對角斜線檢驗(3) 實際補償切削效果檢驗學習心得體會在提高機床加工精度有兩種基本方法中,誤差防止法是靠提高機床設計、制造和安裝精度,即通過提高機床本書地精度來滿足機械加工精度地要求 .由于加工精度地提高受制于機床精度,因此該方法存在很大地局限性 ,并且經(jīng)濟上地代價也很昂貴 .誤差補償法是認為地造出一種新地誤差去抵消當前成為問題地原始誤差 以達到減小加工誤差 ,提高零件加工精度目地地方法 .誤差補償法需要投入地費用很小 ,誤差補償技術是提高 機床加工精度地經(jīng)濟和有效地手段,其工程意義非常顯著 .所以 ,誤差補償技術必然成為提高機床加工精度地最重要辦法 ,成為研究地前沿和主流 .我們