精密特種加工第5講在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償

1、Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining第四講第四講 在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償技術(shù)在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償技術(shù)一、保證零件加工精度的途徑一、保證零件加工精度的途徑 保證零件加工精度的途徑：保證零件加工精度的途徑：1 1）“蛻化蛻化”原則，或稱原則，或稱“母性母性”原則。原則。2 2）“進(jìn)化進(jìn)化”原則，或稱原則，或稱“創(chuàng)造性創(chuàng)造性”原則。原則。 提高加工精度的途徑：提高加工精度的途徑：1 1）隔離和消除誤差；）隔離和消除誤差；2 2）誤差補(bǔ)償，用相應(yīng)的措施去鈍化、抵消、）誤差補(bǔ)償，用相應(yīng)的措施去鈍

2、化、抵消、均化誤差，使誤差減小。均化誤差，使誤差減小。二、加工精度的檢測(cè)二、加工精度的檢測(cè)1.1.離線檢測(cè)離線檢測(cè) 工件加工完畢后，從機(jī)床上取下，在機(jī)床工件加工完畢后，從機(jī)床上取下，在機(jī)床旁或在檢測(cè)室中進(jìn)行檢測(cè)。旁或在檢測(cè)室中進(jìn)行檢測(cè)。2.2.在位檢測(cè)在位檢測(cè) 工件加工完畢后，在機(jī)床上不卸下工件的工件加工完畢后，在機(jī)床上不卸下工件的情況下進(jìn)行檢測(cè)。情況下進(jìn)行檢測(cè)。3.3.在線檢測(cè)在線檢測(cè) 工件在加工過(guò)程中的同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，又稱工件在加工過(guò)程中的同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，又稱主動(dòng)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)。主動(dòng)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)。在線檢測(cè)特點(diǎn)在線檢測(cè)特點(diǎn)1 1）能夠連續(xù)檢測(cè)加工過(guò)程中的變化，了解在加工過(guò)）能夠連續(xù)檢測(cè)加工過(guò)程

3、中的變化，了解在加工過(guò)程中誤差分布和發(fā)展；程中誤差分布和發(fā)展；2 2）檢測(cè)結(jié)果能反映實(shí)際加工情況；）檢測(cè)結(jié)果能反映實(shí)際加工情況；3 3）在線檢測(cè)的難度較大；）在線檢測(cè)的難度較大；4 4）在線檢測(cè)大都用非接觸傳感器，對(duì)傳感器的性能）在線檢測(cè)大都用非接觸傳感器，對(duì)傳感器的性能要求較高；要求較高；5 5）一般是自動(dòng)運(yùn)行，形成在線檢測(cè)系統(tǒng)。）一般是自動(dòng)運(yùn)行，形成在線檢測(cè)系統(tǒng)。在線檢測(cè)類型在線檢測(cè)類型1 1）直接檢測(cè)系統(tǒng)：直接檢測(cè)工件的加工誤差，并補(bǔ)償）直接檢測(cè)系統(tǒng)：直接檢測(cè)工件的加工誤差，并補(bǔ)償2 2）間接檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)產(chǎn)生加工誤差的誤差源，并補(bǔ)）間接檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)產(chǎn)生加工誤差的誤差源，并補(bǔ)償償三、誤

4、差補(bǔ)償技術(shù)三、誤差補(bǔ)償技術(shù)1.1.誤差補(bǔ)償?shù)母拍钫`差補(bǔ)償?shù)母拍?在機(jī)械加工中出現(xiàn)的誤差采用在機(jī)械加工中出現(xiàn)的誤差采用修正、抵消、修正、抵消、均化、鈍化均化、鈍化等措施使誤差減小或消除等措施使誤差減小或消除誤差誤差補(bǔ)償。補(bǔ)償。 從狹義的角度分析：從狹義的角度分析：誤差修正誤差修正（校正）是指（校正）是指對(duì)測(cè)量、計(jì)算、預(yù)測(cè)所得的誤差進(jìn)行修正（校對(duì)測(cè)量、計(jì)算、預(yù)測(cè)所得的誤差進(jìn)行修正（校正正) )；誤差分離誤差分離是指從綜合測(cè)量所得的誤差中分是指從綜合測(cè)量所得的誤差中分離出所需的單項(xiàng)誤差；離出所需的單項(xiàng)誤差；誤差抵消誤差抵消是指兩個(gè)或更是指兩個(gè)或更多個(gè)誤差的相互抵消；多個(gè)誤差的相互抵消；誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)

5、償是對(duì)一尺寸、是對(duì)一尺寸、形狀、位置差值的補(bǔ)足。形狀、位置差值的補(bǔ)足。2.2.誤差補(bǔ)償?shù)念愋驼`差補(bǔ)償?shù)念愋停? 1）實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償）實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償 實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行誤差加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行誤差檢測(cè)，并緊接著進(jìn)行誤差補(bǔ)償，不僅可以補(bǔ)償檢測(cè)，并緊接著進(jìn)行誤差補(bǔ)償，不僅可以補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，且可以補(bǔ)償隨機(jī)誤差。非實(shí)時(shí)誤差系統(tǒng)誤差，且可以補(bǔ)償隨機(jī)誤差。非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償補(bǔ)償只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。（2 2）軟件與硬件誤差補(bǔ)償）軟件與硬件誤差補(bǔ)償 軟件補(bǔ)償軟件補(bǔ)償通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算后，發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，由數(shù)控隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)

6、行運(yùn)算后，發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，由數(shù)控隨動(dòng)系統(tǒng)完成誤差補(bǔ)償動(dòng)作。軟件與硬件補(bǔ)償?shù)膮^(qū)分是完成誤差補(bǔ)償動(dòng)作。軟件與硬件補(bǔ)償?shù)膮^(qū)分是看補(bǔ)償信息是由軟件還是硬件產(chǎn)生的。看補(bǔ)償信息是由軟件還是硬件產(chǎn)生的。2.2.誤差補(bǔ)償?shù)念愋驼`差補(bǔ)償?shù)念愋停? 3）單項(xiàng)與綜合誤差補(bǔ)償）單項(xiàng)與綜合誤差補(bǔ)償 綜合誤差補(bǔ)償是同時(shí)補(bǔ)償幾項(xiàng)誤差，比單項(xiàng)綜合誤差補(bǔ)償是同時(shí)補(bǔ)償幾項(xiàng)誤差，比單項(xiàng)誤差補(bǔ)償要復(fù)雜，但效率高、效果好。誤差補(bǔ)償要復(fù)雜，但效率高、效果好。（4 4）單維與多維誤差補(bǔ)償）單維與多維誤差補(bǔ)償 多維誤差補(bǔ)償是在多坐標(biāo)上進(jìn)行誤差補(bǔ)償，多維誤差補(bǔ)償是在多坐標(biāo)上進(jìn)行誤差補(bǔ)償，難度和工作量都比較大，是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)難度和工作量都比較

7、大，是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的誤差補(bǔ)償技術(shù)。的誤差補(bǔ)償技術(shù)。3.3.誤差補(bǔ)償過(guò)程誤差補(bǔ)償過(guò)程1 1）反復(fù)檢測(cè)出現(xiàn)的誤差并分析，找出規(guī)律，找出影）反復(fù)檢測(cè)出現(xiàn)的誤差并分析，找出規(guī)律，找出影響誤差的主要因素，響誤差的主要因素，確定誤差項(xiàng)目確定誤差項(xiàng)目。2 2）進(jìn)行誤差信號(hào)的處理，去除干擾信號(hào)，分離不需）進(jìn)行誤差信號(hào)的處理，去除干擾信號(hào)，分離不需要的誤差信號(hào)，要的誤差信號(hào)，找出工件加工誤差與在補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)找出工件加工誤差與在補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償量之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。償量之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。3 3）選擇或設(shè)計(jì)合適的誤差補(bǔ)償）選擇或設(shè)計(jì)合適的誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以便在補(bǔ)

8、償點(diǎn)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。以便在補(bǔ)償點(diǎn)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。4 4）驗(yàn)證誤差補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)行必要的調(diào)試，保證達(dá)）驗(yàn)證誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?，進(jìn)行必要的調(diào)試，保證達(dá)到預(yù)期要求。到預(yù)期要求。1 1）誤差信號(hào)的檢測(cè)）誤差信號(hào)的檢測(cè)2 2）誤差信號(hào)的處理）誤差信號(hào)的處理3 3）誤差信號(hào)的建模）誤差信號(hào)的建模4 4）補(bǔ)償控制）補(bǔ)償控制5 5）補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)）補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)12345計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)組成示意圖誤差補(bǔ)償系統(tǒng)組成示意圖1 1誤差信號(hào)檢測(cè)誤差信號(hào)檢測(cè) 2 2誤差信號(hào)處理誤差信號(hào)處理 3 3誤差信號(hào)建模誤差信號(hào)建模 4 4補(bǔ)償控制補(bǔ)償控制 5 5補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.4.誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的組成誤差補(bǔ)

9、償系統(tǒng)的組成5.5.誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展1 1）預(yù)報(bào)型補(bǔ)償）預(yù)報(bào)型補(bǔ)償 ForeForecasting Compensatory Controlcasting Compensatory ControlFCCFCC技術(shù)，利用在線隨機(jī)建模理論、先進(jìn)的傳感技術(shù)、計(jì)技術(shù)，利用在線隨機(jī)建模理論、先進(jìn)的傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微位移技術(shù)等，對(duì)誤差進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)，算機(jī)技術(shù)、微位移技術(shù)等，對(duì)誤差進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)，對(duì)動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。對(duì)動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。2 2）綜合型補(bǔ)償）綜合型補(bǔ)償 對(duì)工件尺寸、形狀和位置誤差同時(shí)進(jìn)行綜合補(bǔ)償，對(duì)工件尺寸、形狀和位置誤差同時(shí)進(jìn)行綜合補(bǔ)償，其中包括對(duì)尺寸、形狀

10、和位置一種誤差中的多項(xiàng)誤差其中包括對(duì)尺寸、形狀和位置一種誤差中的多項(xiàng)誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。進(jìn)行綜合補(bǔ)償。一、形狀位置誤差的在線檢測(cè)一、形狀位置誤差的在線檢測(cè)1.1.外圓、孔類形狀位置誤差的測(cè)量方法外圓、孔類形狀位置誤差的測(cè)量方法三點(diǎn)法三點(diǎn)法 建立如圖所示的直角坐標(biāo)系。建立如圖所示的直角坐標(biāo)系。O O1 1點(diǎn)的極坐標(biāo)為點(diǎn)的極坐標(biāo)為x(x() )和和y(y() )。s(s() )為被測(cè)工件的輪廓形狀誤為被測(cè)工件的輪廓形狀誤差。測(cè)微儀差。測(cè)微儀A A、B B、C C的輸出信號(hào)的輸出信號(hào)分別為分別為A(A() )、B(B() )、C(C() )，則則)()()( xSA 211sin)(cos)()()(

11、 yxSB )sin()()cos()()()(212121 yxSC 消去消去x(x() )和和y(y() )得三點(diǎn)法誤差分離基本方得三點(diǎn)法誤差分離基本方程為程為)()()()()()()(2131232 SCSCSCCBCAP2212sin/ )sin( C213sin/cos C傳傳感感器器組組合合信信號(hào)號(hào) )( P測(cè)量時(shí)，若取采樣點(diǎn)數(shù)為測(cè)量時(shí)，若取采樣點(diǎn)數(shù)為N N，則令，則令Nk /2 Nm /211 Nm /222 并將并將)()()()(21312 SCSCSP離散化離散化)()()()(21312mmkSCmkSCkSkP 最后求得任意時(shí)刻機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差最后求得任意時(shí)刻機(jī)床

12、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差)()()(kSkAkx )/2sin()/2cos()()()()(111NmNmkxmkSkBky 只有在主軸回轉(zhuǎn)完整一周后，才能求得回轉(zhuǎn)誤差只有在主軸回轉(zhuǎn)完整一周后，才能求得回轉(zhuǎn)誤差轉(zhuǎn)位法轉(zhuǎn)位法 采用圓光柵測(cè)量角度采用圓光柵測(cè)量角度位置，用測(cè)微儀（測(cè)頭位置，用測(cè)微儀（測(cè)頭傳感器）測(cè)量工件形狀傳感器）測(cè)量工件形狀誤差和回轉(zhuǎn)軸系運(yùn)動(dòng)誤誤差和回轉(zhuǎn)軸系運(yùn)動(dòng)誤差，起點(diǎn)電路提供一個(gè)差，起點(diǎn)電路提供一個(gè)作為角度位置的起始點(diǎn)作為角度位置的起始點(diǎn)信號(hào)。信號(hào)。轉(zhuǎn)位法轉(zhuǎn)位法反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法測(cè)量時(shí)只作一次轉(zhuǎn)位，共測(cè)得兩組數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)只作一次轉(zhuǎn)位，共測(cè)得兩組數(shù)據(jù))()()(11iiiSMV )()()(

13、22iiiSMV 軸軸系系運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)誤誤差差分分別別為為兩兩次次測(cè)測(cè)得得的的回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、所所測(cè)測(cè)得得的的兩兩組組信信號(hào)號(hào)分分別別為為測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器兩兩次次、 )()()()(2121iiiiMMVV 中中工工件件形形狀狀誤誤差差部部分分測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器所所測(cè)測(cè)得得信信號(hào)號(hào) )(iS 采采樣樣點(diǎn)點(diǎn)序序號(hào)號(hào) i采采樣樣點(diǎn)點(diǎn)角角度度位位置置 i 式中式中若整個(gè)檢測(cè)裝置的檢測(cè)重復(fù)性好，則若整個(gè)檢測(cè)裝置的檢測(cè)重復(fù)性好，則)()()(21iiiMMM 可得可得 2/)()()(2/)()()(2121iiiiiiVVMVVS 閉合等角轉(zhuǎn)位法閉合等角轉(zhuǎn)位法每次轉(zhuǎn)位時(shí)，測(cè)頭不動(dòng)，工件相對(duì)于軸系轉(zhuǎn)每次轉(zhuǎn)位

14、時(shí)，測(cè)頭不動(dòng)，工件相對(duì)于軸系轉(zhuǎn) 角，共角，共測(cè)測(cè)m m個(gè)位置，個(gè)位置， ，可得，可得m m組數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)0360 m )/360()()(0miSMVii 運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)誤誤差差；所所測(cè)測(cè)得得的的一一組組回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸系系測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器在在某某個(gè)個(gè)位位置置所所測(cè)測(cè)得得的的一一組組數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)；測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器在在某某個(gè)個(gè)位位置置 )()( iiMV件形狀誤差部分；件形狀誤差部分；所測(cè)得的一組信號(hào)中工所測(cè)得的一組信號(hào)中工測(cè)頭傳感器在某個(gè)位置測(cè)頭傳感器在某個(gè)位置 )/360(0miS m1 測(cè)測(cè)量量位位置置序序號(hào)號(hào)，ii mVMi/)()( 當(dāng)當(dāng)m m很大時(shí)，很大時(shí)， 的平均值忽略不計(jì)，可得回轉(zhuǎn)軸系平

15、的平均值忽略不計(jì)，可得回轉(zhuǎn)軸系平均運(yùn)動(dòng)誤差均運(yùn)動(dòng)誤差)( iS對(duì)稱轉(zhuǎn)位法對(duì)稱轉(zhuǎn)位法在在0 0度位置測(cè)完后，測(cè)頭不動(dòng)，工件相對(duì)于軸系各作度位置測(cè)完后，測(cè)頭不動(dòng)，工件相對(duì)于軸系各作一次一次 、 轉(zhuǎn)位角，取轉(zhuǎn)位角等于采樣間隔角轉(zhuǎn)位角，取轉(zhuǎn)位角等于采樣間隔角 ，共得共得3 3組數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù) )()()(0iiiSMV ；采采樣樣序序號(hào)號(hào)，n1 ii位位置置所所測(cè)測(cè)得得的的信信號(hào)號(hào)；、測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器分分別別在在、 01200)()()( iiiVVV軸軸系系運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)誤誤差差；測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器所所測(cè)測(cè)得得回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) )(iM 中中工工件件形形狀狀誤誤差差部部分分。測(cè)測(cè)頭頭傳傳感感器器所所測(cè)測(cè)得得信信

16、號(hào)號(hào) )(iS (1)(2)(3)()()()()(12 iiiiiSMSMV )()()()()(11 iiiiiSMSMV 由式（由式（1 1）、（）、（3 3）可得）可得由式（由式（1 1）、（）、（2 2）可得）可得)()()()()(111011iiiiiiMMMVV )()()()()(121210iiiiiiMMMVV 取平均值取平均值 2/)()()(12111iiiiiiMMM 一般式一般式2/)(/)()(1121111 niiiiiniiinMnMM 由式（由式（4 4）、（）、（5 5）可得）可得（4）（5） 2/)()()()()(2110101iiiiiiVVVVM

17、 2.2.平面類形狀位置誤差的測(cè)量方法平面類形狀位置誤差的測(cè)量方法反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法測(cè)量分兩次進(jìn)行，在第二次測(cè)量時(shí)，工件轉(zhuǎn)過(guò)測(cè)量分兩次進(jìn)行，在第二次測(cè)量時(shí)，工件轉(zhuǎn)過(guò)180180度，度，得到兩組數(shù)據(jù)得到兩組數(shù)據(jù))()()(11iiixSxMxV )()()(22iiixSxMxV 方向直線位置。方向直線位置。采樣點(diǎn)采樣點(diǎn)采樣點(diǎn)序號(hào)；采樣點(diǎn)序號(hào)；形狀誤差部分；形狀誤差部分；測(cè)頭所測(cè)得信號(hào)中工件測(cè)頭所測(cè)得信號(hào)中工件直線運(yùn)動(dòng)誤差；直線運(yùn)動(dòng)誤差；分別為兩次測(cè)得的機(jī)床分別為兩次測(cè)得的機(jī)床、的兩組信號(hào)；的兩組信號(hào)；分別為測(cè)頭兩次所測(cè)得分別為測(cè)頭兩次所測(cè)得、xxixSxMxMxVxViiiiii )()()()()

18、(2121式中式中若檢測(cè)裝置重復(fù)性好，可認(rèn)為若檢測(cè)裝置重復(fù)性好，可認(rèn)為)()()(21iiixMxMxM 可得可得 2/)()()(2/)()()(2121iiiiiixVxVxMxVxVxS 平移法平移法測(cè)量分兩次進(jìn)行，在第二次測(cè)量時(shí)，工件平移一個(gè)步測(cè)量分兩次進(jìn)行，在第二次測(cè)量時(shí)，工件平移一個(gè)步距距S S，得到兩組數(shù)據(jù)，得到兩組數(shù)據(jù))()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV若機(jī)床和檢測(cè)裝置重復(fù)性好，可認(rèn)為若機(jī)床和檢測(cè)裝置重復(fù)性好，可認(rèn)為)()()(21iiixMxMxM 可得可得)()()()(211iiiixVxVxSxS 兩點(diǎn)法兩點(diǎn)法取步距取步距S S為兩測(cè)頭的間距進(jìn)行測(cè)量，若將機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)為兩測(cè)頭的間距進(jìn)行測(cè)量，若將機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)部件的角運(yùn)動(dòng)誤差部件的角運(yùn)動(dòng)誤差 忽略不計(jì)，則得到忽略不計(jì)，則得到)()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV)(ix 三點(diǎn)法三點(diǎn)法用間距為步距用間距為步距S S的三個(gè)測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，則考慮機(jī)床直線的三個(gè)測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，則考慮機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)部件角運(yùn)動(dòng)誤差運(yùn)動(dòng)部件角運(yùn)動(dòng)誤差 ，得到，得到3 3組方程組方程)(ix 三點(diǎn)法三點(diǎn)法 將式（將式（1 1）與式（）與式（3 3）相加后減去）相加后減去2 2倍的式（倍