誤差補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用哈工大

1、第1頁(yè)第2頁(yè)一、課題的研究背景一、課題的研究背景二、現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償功能二、現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償功能三、重型數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)闹饕y點(diǎn)三、重型數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)闹饕y點(diǎn)四、本課題的主要研究?jī)?nèi)容四、本課題的主要研究?jī)?nèi)容提提 綱綱第3頁(yè) 2009年國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)制造裝備”公開(kāi)指南就支持了共性技術(shù)-動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)（課題33），共支持了6個(gè)誤差補(bǔ)償?shù)恼n題，主要針對(duì)高精度機(jī)床、高速機(jī)床、多軸數(shù)控機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床等幾個(gè)方面。哈工大、齊二機(jī)床廠、上海航天149廠共同承擔(dān)。2013年“黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目”又支持該項(xiàng)目的成果在企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用。1 研究背景滑枕熱變形嚴(yán)重

2、滑枕熱變形嚴(yán)重進(jìn)進(jìn)給方向給方向?qū)к夓o壓油溫升明顯造成導(dǎo)軌靜壓油溫升明顯造成熱變形熱變形立柱熱傾斜誤差明顯立柱熱傾斜誤差明顯開(kāi)式結(jié)構(gòu)、較大運(yùn)開(kāi)式結(jié)構(gòu)、較大運(yùn)動(dòng)空間造成幾何誤動(dòng)空間造成幾何誤差明顯差明顯幾何誤差開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)空間大；熱誤差載荷重、功率大、運(yùn)動(dòng)空間大、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量大；第4頁(yè) 反向間隙補(bǔ)償反向間隙補(bǔ)償坐標(biāo)軸/主軸換向誤差，西門(mén)子840D中MD32450 螺距誤差補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償滾珠絲杠制造工藝不理想，線性補(bǔ)償，數(shù)據(jù)文件，按軸補(bǔ)償，各軸互不影響，無(wú)方向性 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償補(bǔ)償溫度變化導(dǎo)致的機(jī)械變形，兩次線性假設(shè)，MD32750，SD43900，SD43910，SD43920 垂度補(bǔ)償垂

3、度補(bǔ)償/交叉軸補(bǔ)償交叉軸補(bǔ)償坐標(biāo)軸間的補(bǔ)償，每對(duì)基礎(chǔ)軸和補(bǔ)償軸一個(gè)補(bǔ)償文件，可用于雙向螺補(bǔ) 跟隨誤差補(bǔ)償跟隨誤差補(bǔ)償速度前饋，轉(zhuǎn)矩前饋，在三環(huán)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改相應(yīng)機(jī)床參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 摩擦摩擦/過(guò)象限補(bǔ)償過(guò)象限補(bǔ)償 靜摩擦大于動(dòng)摩擦，坐標(biāo)軸過(guò)象限尖角，給速度環(huán)輸入附加脈沖，手動(dòng)/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整方法 Siemens VCS（Volumetric Compensation System）/ Fanuc 3D Compensation美國(guó)API公司：XD Laser SELFCOMP Solution for與Siemens Sinumerik 840D英國(guó)Renishaw公司：RVC-Siemens

4、 和 RVC-Fanuc VEC（Volumetric Compensation System）美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心，VALMT聯(lián)合行動(dòng)（API、Boeing、Siemens、Mag Cincinnati）第5頁(yè)1 機(jī)床大尺寸空間內(nèi)幾何誤差的檢測(cè)問(wèn)題機(jī)床大尺寸空間內(nèi)幾何誤差的檢測(cè)問(wèn)題結(jié)構(gòu)尺寸大、行程大載荷重運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)多 大范圍小誤差檢測(cè)誤差產(chǎn)生因素多2 機(jī)床大尺寸空間內(nèi)幾何誤差的建模問(wèn)題機(jī)床大尺寸空間內(nèi)幾何誤差的建模問(wèn)題預(yù)測(cè)精度計(jì)算效率3 重型數(shù)控機(jī)床熱誤差的檢測(cè)與建模問(wèn)題重型數(shù)控機(jī)床熱誤差的檢測(cè)與建模問(wèn)題滑枕定位誤差明顯；檢測(cè)-辨識(shí)-分離-建模4 4 重型數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件質(zhì)量大重型數(shù)控機(jī)床移動(dòng)

5、部件質(zhì)量大載荷變形伺服誤差5 重型數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)策略問(wèn)題重型數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)策略問(wèn)題國(guó)外系統(tǒng)相對(duì)封閉補(bǔ)償模塊如何集成到CNC系統(tǒng)第6頁(yè)大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)大慣量運(yùn)動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)技術(shù)重載負(fù)荷變形誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)動(dòng)態(tài)綜合誤差補(bǔ)償系統(tǒng)集成技術(shù)u重型數(shù)控機(jī)床主要誤差源及其影響因素第8頁(yè)u多體系統(tǒng)理論4.1 大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)u幾何誤差模型第9頁(yè)4.1 大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)九線法的測(cè)量原理示意圖 激光跟蹤儀測(cè)量幾何誤差檢測(cè)與辨識(shí)實(shí)驗(yàn)幾何誤差檢測(cè)與辨識(shí)實(shí)驗(yàn) “9線法”辨識(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)多維激光干

6、涉儀測(cè)量第10頁(yè)4.1 大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)幾何誤差檢測(cè)與辨識(shí)實(shí)驗(yàn)幾何誤差檢測(cè)與辨識(shí)實(shí)驗(yàn) 21項(xiàng)幾何誤差辨識(shí)結(jié)果誤差辨識(shí)模型 第11頁(yè)4.1 大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)幾何誤差模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)幾何誤差模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 預(yù)測(cè)誤差場(chǎng) 誤差計(jì)算值與測(cè)量值比較第12頁(yè)149廠應(yīng)用效果4.1 大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)第13頁(yè)149廠應(yīng)用效果4.1 大尺寸空間幾何誤差高效測(cè)量與辨識(shí)技術(shù)第14頁(yè)建立動(dòng)力學(xué)模型與動(dòng)態(tài)跟蹤誤差模型；檢測(cè)與驗(yàn)證大慣量移動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)誤差；4.2 大慣量運(yùn)動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)第15頁(yè) 仿真分析模型及結(jié)果4.2 大慣量運(yùn)動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)誤差

7、預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù) ADAMS模型系統(tǒng)建模與仿真總體結(jié)構(gòu)流程圖系統(tǒng)建模與仿真總體結(jié)構(gòu)流程圖 第16頁(yè)4.2 大慣量運(yùn)動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)直線插補(bǔ)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比第17頁(yè)4.2 大慣量運(yùn)動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)圓弧插補(bǔ)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比第18頁(yè)4.2 大慣量運(yùn)動(dòng)部件伺服驅(qū)動(dòng)誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)149廠實(shí)驗(yàn)結(jié)果第19頁(yè)4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)建模流程提高新機(jī)床精度提高新機(jī)床精度提升老機(jī)床精度提升老機(jī)床精度第20頁(yè)溫度傳感器的布置4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)第21頁(yè)測(cè)量各溫度傳感器的溫度變化曲線4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)第22頁(yè)4

8、.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)熱誤差的測(cè)量測(cè)量條件測(cè)量條件：650rpm；1000mm/min 67.5小時(shí)/1小時(shí)；機(jī)床型號(hào)機(jī)床型號(hào)：TH6920X軸軸定定位位誤誤差差X軸軸y向向直直線線度度誤誤差差X軸軸z向向直直線線度度誤誤差差第23頁(yè)4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)熱誤差的測(cè)量測(cè)量條件測(cè)量條件：650rpm；1000mm/min 67.5小時(shí)/1小時(shí)；機(jī)床型號(hào)機(jī)床型號(hào)：TH6920y軸軸定定位位誤誤差差y軸軸x向向直直線線度度誤誤差差y軸軸z向向直直線線度度誤誤差差第24頁(yè)4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)熱誤差的測(cè)量測(cè)量條件測(cè)量條件：650rpm；1

9、000mm/min 67.5小時(shí)/1小時(shí)；機(jī)床型號(hào)機(jī)床型號(hào)：TH6920W軸軸定定位位誤誤差差W軸軸X向向直直線線度度誤誤差差W軸軸Y向向直直線線度度誤誤差差第25頁(yè)熱關(guān)鍵點(diǎn)優(yōu)化選擇4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)第26頁(yè)4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)熱誤差建模多元線性回歸建模多元線性回歸建模 模型殘差模型殘差10m預(yù)測(cè)精度在預(yù)測(cè)精度在X、Y、Z向分別為向分別為82.9、84.2、95.6第27頁(yè)4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)立柱熱傾斜誤差補(bǔ)償補(bǔ)償前后立柱傾斜X向誤差對(duì)比 補(bǔ)償前后立柱傾斜Z向誤差對(duì)比 補(bǔ)償率：71%補(bǔ)償率：64% 第28頁(yè)滑枕熱伸長(zhǎng)檢測(cè)

10、與補(bǔ)償4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)申請(qǐng)專(zhuān)利AABB87654321AABB1-滑枕；2-嵌入式補(bǔ)償器；3-位移傳感器；4-位移傳感器測(cè)頭；5-尾部滑動(dòng)支撐架；6-中部滑動(dòng)支撐架；7-標(biāo)準(zhǔn)桿；8-剛性連接架 。熱膨脹系數(shù)：因瓦合金：1.210-6/HT300： 11.510-6/應(yīng)用于成飛公司的應(yīng)用于成飛公司的TH6920國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)結(jié)果：國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)結(jié)果： 補(bǔ)償前：滑枕熱伸長(zhǎng)補(bǔ)償前：滑枕熱伸長(zhǎng)0.16mm0.16mm，1.2m1.2m行程行程 (6(6小時(shí)）小時(shí)） 補(bǔ)償后：滑枕熱伸長(zhǎng)補(bǔ)償后：滑枕熱伸長(zhǎng)0.03mm0.03mm，1.2m1.2m

11、行程行程(6(6小時(shí)）小時(shí)）4.3 典型機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形誤差建模與預(yù)測(cè)技術(shù)第30頁(yè)滑枕下垂變形有限元分析4.4 重載負(fù)荷變形誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)研制了主軸組件變形誤差自動(dòng)補(bǔ)償裝置4.4 重載負(fù)荷變形誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)液壓補(bǔ)償：l拉緊缸l鋼絲繩l靜壓油膜數(shù)字電液比例溢流閥數(shù)字電液比例溢流閥控制器控制器補(bǔ)償前最大值0.25mm補(bǔ)償后最大值0.02mm滑枕傾斜補(bǔ)償前后曲線圖滑枕傾斜補(bǔ)償前后曲線圖滑枕行程(mm)滑枕傾斜量(mm)數(shù)字點(diǎn)位非線性補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)字點(diǎn)位非線性補(bǔ)償系統(tǒng)第32頁(yè)立柱前傾補(bǔ)償原理4.4 重載負(fù)荷變形誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)第33頁(yè)4.4 重載負(fù)荷變形誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于大連一重定制的TKC

12、-1第34頁(yè)4.5 動(dòng)態(tài)綜合誤差補(bǔ)償系統(tǒng)集成技術(shù)方案一：手輪干預(yù)功能進(jìn)行補(bǔ)償（針對(duì)現(xiàn)有重型機(jī)床）（針對(duì)現(xiàn)有重型機(jī)床）方案二：利用西門(mén)子840D系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償模塊（針對(duì)新出廠重型機(jī)床）（針對(duì)新出廠重型機(jī)床）誤差綜合補(bǔ)償系統(tǒng)原理 （PC與PLC及NCK通信的連接方式） 2、關(guān)鍵點(diǎn)溫度的采集 3、第三手輪在西門(mén)子840D PL系統(tǒng)中的應(yīng)用 1、機(jī)床坐標(biāo)位置的實(shí)時(shí)獲取鉑電阻溫度傳感器Pt100；電壓輸出型溫度變送器STWB-X100T；USB2015型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡 。Simodrive 611D驅(qū)動(dòng)的編碼器接口 （X412 或者或者X411）MD 11342=4 ；MD11344=1 ；MD3013

13、0=1 ；MD302400=1 ；MD1004 = 2000H DB3X.DBX4.2 ；DB3X.DBX64.2 方案一：手輪干預(yù)功能進(jìn)行補(bǔ)償（針對(duì)現(xiàn)有重型機(jī)床）（針對(duì)現(xiàn)有重型機(jī)床）硬件系統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)生電路原理圖 誤差綜合補(bǔ)償系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的連接 方案一：手輪干預(yù)功能進(jìn)行補(bǔ)償（針對(duì)現(xiàn)有重型機(jī)床）（針對(duì)現(xiàn)有重型機(jī)床）第37頁(yè)P(yáng)LC周期性地實(shí)時(shí)檢測(cè)熱誤差值，并通過(guò)參數(shù)SD43900送入NCK單元。方案二：利用西門(mén)子840D系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償模塊（針對(duì)新出廠重型機(jī)床）（針對(duì)新出廠重型機(jī)床）利用溫度補(bǔ)償模塊進(jìn)行綜合誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D 第38頁(yè)4.6 國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)報(bào)告主要結(jié)論 誤差補(bǔ)償技術(shù)是提高重型數(shù)控機(jī)床精度的重要的有效手段。 研制了數(shù)字點(diǎn)位非線性補(bǔ)償系統(tǒng)，使TK6920重型數(shù)控落地銑鏜床的滑枕傾斜變形誤差從0.25mm降低到了