機(jī)電耦合與誤差補(bǔ)償

1、機(jī)電耦合與誤差補(bǔ)償目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 一、機(jī)電耦合2 HYPERLINK l bookmark6 機(jī)電耦合的建模方法2 HYPERLINK l bookmark8 機(jī)電耦合的研究?jī)?nèi)容與意義3 HYPERLINK l bookmark10 二、誤差補(bǔ)償4 HYPERLINK l bookmark12 數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償4 HYPERLINK l bookmark22 數(shù)控機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償7 HYPERLINK l bookmark26 數(shù)控機(jī)床誤差的綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償9 HYPERLINK l bookmark30 伺服系統(tǒng)提高定位精度的方法

2、11機(jī)電耦合與誤差補(bǔ)償?shù)难芯恳弧C(jī)電耦合機(jī)電耦合的建模方法機(jī)床中的絕大部分轉(zhuǎn)子系統(tǒng)都以交流電機(jī)作為動(dòng)力源，機(jī)電耦合是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在起動(dòng)、制動(dòng)、負(fù)載沖擊和自激震蕩等非平穩(wěn)過(guò)程中表現(xiàn)出的基本特征。建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)電耦合數(shù)學(xué)模型并利用該模型定量研究非平穩(wěn)過(guò)程中各系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)和故障診斷具有重要價(jià)值。電機(jī)機(jī)電耦合系統(tǒng)建模包含兩種技術(shù)途徑:一是系統(tǒng)集成的途徑,即把耦合系統(tǒng)當(dāng)一個(gè)整體傳遞函數(shù)看待,建立系統(tǒng)輸入與輸出的直接關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。二是分立子系統(tǒng)的途徑,即把各個(gè)結(jié)構(gòu)部件（裝置）的幾何和材料性能等參數(shù)同它們的動(dòng)力學(xué)行為結(jié)合起來(lái),使其因果關(guān)聯(lián)能直觀地體現(xiàn)出來(lái),為電機(jī)進(jìn)一步

3、參數(shù)優(yōu)化創(chuàng)造條件。后者是前者的基礎(chǔ),一般采用先分立后綜合的技術(shù)途徑。這里所述的是分立子系統(tǒng)的建模方法。解析法以交流電機(jī)的工作機(jī)理為理論基礎(chǔ)可以得到其解析模型。解析法所能解決的問(wèn)題一般是比較規(guī)整的、理想的,往往與實(shí)際情況有所不同。實(shí)際問(wèn)題必須經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化,由此造成很大誤差。因而解析法一般只作為理論上的定性分析。數(shù)值解法（有限元法）大多數(shù)的工程問(wèn)題由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在解析法不適用的情況下,往往采用數(shù)值解法。以有限元為代表的數(shù)值算法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已成為工程分析計(jì)算中不可缺少的工具。有限元法的最大優(yōu)勢(shì)就是其解法的通用性,一個(gè)問(wèn)題只要能列寫(xiě)出其本構(gòu)方程,就能利用限元進(jìn)行求解。尤其對(duì)一些非線性問(wèn)題及需

4、要反復(fù)迭代求解的問(wèn)題更能顯示出其優(yōu)越性。應(yīng)用有限元方法可以很方便地對(duì)電機(jī)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析研究,這對(duì)于電機(jī)的分析是必不可少的,也是目前廣為采用的。但有限元法的缺陷也是明顯的:建模復(fù)雜、計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大、用機(jī)時(shí)多,不適于做參數(shù)分析,更不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)。半解析法（數(shù)值-解析法）半解析法近年倍受推崇,它將解析法的思維方式和數(shù)值法的有效求解有機(jī)地結(jié)合起來(lái),互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。它既利用了解析法的思路,便于理論分析,又部分地使用數(shù)值法對(duì)分析過(guò)程中的某些參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算,避免了有限元法的純黑箱操作,從而使數(shù)值計(jì)算完全在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行,往往可以使問(wèn)題的求解結(jié)果比解析法更精確,甚至能近似達(dá)到有限元的精度，但比有限

5、元的計(jì)算量大為減小。例如，Nes2bittw.Hagood,AndrewJ.Mcfarland（1995）利用分析動(dòng)力學(xué)的Hamilton原理和Rithz法建立了具有普遍意義的構(gòu)架式超聲電機(jī)耦合系統(tǒng)模型,為機(jī)電耦合建模提供了一條新思路。等效電路法等效電路法是研究電機(jī)機(jī)電耦合系統(tǒng)特性的一個(gè)非常簡(jiǎn)單有效的方法。對(duì)于電機(jī)定子這樣的部件,在實(shí)現(xiàn)從電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,在定子內(nèi)部,既有機(jī)械能（彈性變形能）,同時(shí)又有電能,是機(jī)電的統(tǒng)一體,僅利用純力學(xué)分析的方法對(duì)其電學(xué)特性進(jìn)行研究就很不方便。等效電路模型正是利用了機(jī)械振動(dòng)和電路振蕩的原理相似性進(jìn)行了等效轉(zhuǎn)換,使得對(duì)定子的機(jī)電耦合特性的分析更加方便。雖然

6、等效電路法具有簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn),但其主要還是側(cè)重于電學(xué)特性的分析,更須指出的是等效電路中的各主要的等效元件（主要是機(jī)械支路部分）的確定依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢?jiàn),該方法是一種后驗(yàn)性方法。正如日本電機(jī)專(zhuān)家、山形大學(xué)教授富川義朗所說(shuō),該方法目前僅用于原理性分析,尚不能用于計(jì)算。機(jī)電耦合的研究?jī)?nèi)容與意義1、建立轉(zhuǎn)子、定子系統(tǒng)的機(jī)電耦合數(shù)學(xué)模型，并利用該模型定量研究非平穩(wěn)過(guò)程中各系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律。2、研究機(jī)電耦合與系統(tǒng)誤差之間的作用聯(lián)系和規(guī)律，并且通過(guò)研究結(jié)果采用優(yōu)化設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)誤差。數(shù)控機(jī)床中的絕大部分轉(zhuǎn)子系統(tǒng)都以交流電機(jī)作為動(dòng)力源，機(jī)電耦合是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在起動(dòng)、制動(dòng)、負(fù)載沖擊和自激震蕩等非平穩(wěn)過(guò)程中表現(xiàn)出的

7、基本特征。因此研究機(jī)電耦合現(xiàn)象對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)誤差都有重要的意義。二、誤差補(bǔ)償一般地說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的不精確性是由以下原因造成：1、機(jī)床零部件和結(jié)構(gòu)的幾何誤差；2、熱變形誤差；3、切削力變形；4、其它誤差源，如機(jī)床軸系的伺服誤差（跟隨誤差等），數(shù)控插補(bǔ)誤差等。2.1數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償一、數(shù)控幾何誤差補(bǔ)償?shù)臈l件1、軟件幾何誤差補(bǔ)償只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，機(jī)床必須符合下面條件才能夠補(bǔ)償。系統(tǒng)誤差必須明顯大于隨機(jī)誤差，也就是機(jī)床的重復(fù)性要足夠好。2、補(bǔ)償后機(jī)床精度的提高與補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用相比要合算。3、幾何誤差的空間變化率要低于測(cè)量誤差時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)的尺寸間隔。這一點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了誤差測(cè)量的連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)，如激光干

8、涉儀與離散標(biāo)準(zhǔn)，如步距規(guī)、球列、球板是不同的。4、機(jī)床必須有絕對(duì)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)的不確定度比誤差的空間變化率低。5、伺服/計(jì)算機(jī)性能（分辨力、空間修正頻率、計(jì)算速度）足夠好。6、必須有合適的機(jī)床模型，有這個(gè)模型可推導(dǎo)誤差的數(shù)學(xué)模型，該模型建立了各項(xiàng)誤差源和最終誤差之間的關(guān)系，模型中的參數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。二、數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償?shù)牟襟E數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償要分以下三步進(jìn)行：1、建立機(jī)床的幾何誤差模型，這個(gè)模型要簡(jiǎn)單而且可足以反映機(jī)床真實(shí)的特性。2、用實(shí)驗(yàn)方法，直接或間接地測(cè)量幾何模型中的參數(shù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理，計(jì)算幾何誤差模型中的表征參數(shù)，最后得到機(jī)床的空間誤差函數(shù)。3、建立誤差補(bǔ)償表或補(bǔ)償函數(shù)，

9、控制機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)從而提高精度。三、幾何誤差模型的建立機(jī)床幾何誤差模型就是刀具相對(duì)工件的誤差與機(jī)床各導(dǎo)軌坐標(biāo)位置之間的函數(shù)關(guān)系。在幾何誤差補(bǔ)償中，建立簡(jiǎn)單可靠的模型有重要的意義。一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型可以大大減少在機(jī)床加工空間內(nèi)誤差測(cè)量的次數(shù)。在早期的機(jī)床幾何誤差建模中，人們主要依靠初等幾何種的三角法對(duì)各個(gè)原始幾何誤差（又稱(chēng)參數(shù)誤差）的效應(yīng)逐一進(jìn)行分析。后來(lái)人們使用坐標(biāo)系的概念，使建模方法更加明確和系統(tǒng)化。在這種方法中，將坐標(biāo)系剛性地固定在機(jī)床結(jié)構(gòu)環(huán)的各運(yùn)動(dòng)組件上，各參數(shù)誤差分別定義為兩連續(xù)坐標(biāo)系相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的三個(gè)平移誤差和三個(gè)轉(zhuǎn)角誤差，用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)方法對(duì)誤差建模，這種方法可對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行

10、完整的分析。一般這種模型只用來(lái)分析幾何誤差，而不考慮熱誤差和力變形誤差。隨著具有轉(zhuǎn)動(dòng)組件的多軸機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的大量涌現(xiàn)，機(jī)床的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，用上述方法建模出現(xiàn)一些困難。而利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中的齊次矩陣的概念，用4X4齊次變換矩陣描述兩坐標(biāo)系間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使建模更加簡(jiǎn)單。在建立幾何誤差模型時(shí)都運(yùn)用了下面的準(zhǔn)則：準(zhǔn)剛體模型為了簡(jiǎn)化誤差補(bǔ)償工作，希望機(jī)床的誤差模型盡可能簡(jiǎn)單，為此常使用剛體模型。盡管在實(shí)際系統(tǒng)中，機(jī)床的某些部件在重力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，若它是單一變量的函數(shù)，其影響與加工誤差造成的導(dǎo)軌直線度誤差相同，可以通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)消除其影響。在這種情況下，仍可按剛體模型處理。是否可按剛體模型簡(jiǎn)化，

11、可以通過(guò)測(cè)量不同位置、不同載荷下機(jī)床工作臺(tái)平面度的變化來(lái)檢驗(yàn)。誤差獨(dú)立作用原則對(duì)不同原因，如位置、運(yùn)動(dòng)方向、速度、加速度、溫度分布、載荷、測(cè)量方法等造成的誤差分別研究，最后把他們的影響相加，即假設(shè)各誤差源是相互獨(dú)立的，機(jī)床是線性系統(tǒng)，每個(gè)誤差分量都可以找到它的產(chǎn)生原因，可以分離、控制和測(cè)量。四、幾何誤差的測(cè)量原始幾何誤差的測(cè)量也是誤差補(bǔ)償中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。任何幾何誤差測(cè)量方法都應(yīng)盡可能滿足下面要求：1、一致性：機(jī)床標(biāo)定時(shí)的狀態(tài)應(yīng)與使用時(shí)的狀態(tài)相同。機(jī)床的切削實(shí)驗(yàn)滿足這個(gè)要求但從切削實(shí)驗(yàn)中難以得到原始誤差。2、完整性：測(cè)量應(yīng)揭示機(jī)床在全部加工空間內(nèi)、在全部規(guī)定工況下的誤差。3、簡(jiǎn)單性：測(cè)量?jī)x

12、器應(yīng)該便宜、操作簡(jiǎn)單，無(wú)需特殊的培訓(xùn)就可快速地使用。4、準(zhǔn)確性和解析性：誤差測(cè)量的精度要足夠高，必須揭示影響機(jī)床特性的誤差源和其原因，使我們可以通過(guò)返修、硬件或軟件誤差補(bǔ)償提高機(jī)床的性能。幾何誤差的測(cè)量方法可以分為直接方法和自標(biāo)定方法。1、直接方法直接方法又稱(chēng)為參數(shù)法，是對(duì)每一項(xiàng)原始幾何誤差都進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)檢具的類(lèi)型可分為兩類(lèi)：1）對(duì)每一項(xiàng)原始幾何誤差都使用專(zhuān)用的測(cè)量?jī)x器。直接測(cè)量采用了許多成熟可靠?jī)x器和方法，但必須擁有和維護(hù)各種昂貴的儀器和標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求比較高。2）對(duì)每一項(xiàng)原始幾何誤差都使用單一標(biāo)定過(guò)的實(shí)物基準(zhǔn)。標(biāo)定過(guò)的實(shí)物基準(zhǔn)可以是一維的球列、二維的球板或三

13、維的空間實(shí)體。將基準(zhǔn)置于機(jī)床的工作空間內(nèi)，在機(jī)床安裝刀具處安裝測(cè)頭，對(duì)實(shí)物基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量值與實(shí)物基準(zhǔn)上各點(diǎn)的坐標(biāo)或距離的標(biāo)準(zhǔn)值之差可以反映原始幾何誤差。使用標(biāo)定的實(shí)物基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)公式非常簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快等。缺點(diǎn)是必須準(zhǔn)確地按操作規(guī)程作，實(shí)物基準(zhǔn)需要標(biāo)定，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性等。上述幾何誤差測(cè)量得到的都是離散點(diǎn)處的誤差值，需要用連續(xù)函數(shù)進(jìn)行擬合，在一般情況下，采用多項(xiàng)式函數(shù)可以滿足精度要求。2、自標(biāo)定方法自標(biāo)定方法在誤差測(cè)量中，合理采集信息并進(jìn)行優(yōu)化處理，可以使許多誤差相互補(bǔ)償從而提高測(cè)量精度。將實(shí)物基準(zhǔn)放在機(jī)床工作空間內(nèi)的不同位置，分別測(cè)量上面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)。實(shí)物基準(zhǔn)在各位置上，各點(diǎn)的坐標(biāo)和

14、它們之間的距離是不變的。將測(cè)量的信息與機(jī)床的幾何誤差模型相結(jié)合，得到一系列方程，使方程的個(gè)數(shù)大于其中未知量的個(gè)數(shù)，用最小二乘法解方程，可以獲得各項(xiàng)原始幾何誤差。五、誤差補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行誤差補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行包括誤差的計(jì)算和補(bǔ)償?shù)膶?shí)施，在加工中響應(yīng)速度往往是主要問(wèn)題。已經(jīng)獲得的機(jī)床誤差值以誤差表或系數(shù)表的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，通過(guò)插值或直接計(jì)算，可得到各位置的誤差。在補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行方面，一些學(xué)者采用壓電陶瓷執(zhí)行器與彈性變形機(jī)構(gòu)構(gòu)成高靈敏度、高頻響執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)行微動(dòng)補(bǔ)償。但在機(jī)床上安裝一套附加裝置是比較復(fù)雜的?，F(xiàn)在許多研究都對(duì)加工程序進(jìn)行預(yù)處理，即根據(jù)通過(guò)誤差模型計(jì)算出的誤差值修改加工程序，再去控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)去

15、執(zhí)行。這種方法不僅降低了補(bǔ)償系統(tǒng)的成本，還滿足高動(dòng)態(tài)性能的要求。它與機(jī)床的硬件無(wú)關(guān)，適用于采用任何數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。工件的NC加工程序是在未補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床空間坐標(biāo)下編制的，預(yù)處理程序把未補(bǔ)償?shù)目臻g坐標(biāo)映射到補(bǔ)償?shù)目臻g坐標(biāo)，工件的程序經(jīng)過(guò)預(yù)處理就已經(jīng)補(bǔ)償了機(jī)床的幾何誤差。六、軟件幾何誤差補(bǔ)償方法的局限性軟件幾何誤差補(bǔ)償有下面一些局限：只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，而且它必須明顯大于隨機(jī)誤差。誤差補(bǔ)償模型的精度要足夠高。機(jī)床必須具有絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量系，誤差的測(cè)量和補(bǔ)償必須以這個(gè)坐標(biāo)系為參考。短周期誤差無(wú)法補(bǔ)償，這會(huì)是標(biāo)尺誤差的主要問(wèn)題。補(bǔ)償系統(tǒng)的分辨力必須滿足幾何誤差變化頻率的要求。絕對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)的不確定度必須低于所補(bǔ)

16、償誤差的變化周期。誤差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果受機(jī)床的熱狀態(tài)和在標(biāo)定時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)件的熱狀態(tài)影響較大，應(yīng)該注意到這一點(diǎn)。補(bǔ)償系統(tǒng)得時(shí)間響應(yīng)不能影響機(jī)床性能?；跍?zhǔn)剛體假設(shè)建立模型測(cè)量和辨識(shí)機(jī)床的幾何誤差，由于它的內(nèi)在特性，不能把機(jī)床組件質(zhì)量引起的彈性形變從直線度運(yùn)動(dòng)誤差中分離出去。2.2數(shù)控機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償熱誤差是數(shù)控機(jī)床的最大誤差源之一，世界各國(guó)都非常重視熱誤差并進(jìn)行了大量研究。在各項(xiàng)熱源中，主軸的摩擦熱是最大熱源。通過(guò)機(jī)床熱誤差溫度模型，用軟件方法補(bǔ)償熱誤差是目前最為流行的方法。一般來(lái)講，減小機(jī)床熱誤差有三種方法，（1）改進(jìn)設(shè)計(jì)，使機(jī)床對(duì)溫度的敏感程度最?。唬?）溫度控制；（3）誤差補(bǔ)償。一、改進(jìn)機(jī)床設(shè)

17、計(jì)熱態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是精密機(jī)床設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)。熱態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在一定熱源作用下，從形狀優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化出發(fā)，尋求合理的溫度分布和剛度分布，控制機(jī)床機(jī)構(gòu)的熱位移，保證加工精度。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，從結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)、熱源布置、潤(rùn)滑油路布置等方面綜合考慮，對(duì)大件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是近年來(lái)逐漸采用的減小熱變形的對(duì)策。二、控制溫度熱源的作用是機(jī)床熱變形的直接原因，控制熱源的發(fā)熱使機(jī)床溫升減小或均衡溫度場(chǎng)是保證機(jī)床具有良好熱態(tài)精度的重要措施。近年來(lái)，在熱誤差研究領(lǐng)域采用了熱管技術(shù)。熱管是一種新型的高效傳熱元件，其導(dǎo)熱率比金屬導(dǎo)體好要高好幾百倍。熱管通過(guò)工作液體把熱量從一端傳導(dǎo)到另一端，而它本身通過(guò)空氣循環(huán)

18、冷卻。水內(nèi)冷卻技術(shù)是在主軸箱內(nèi)圍繞主軸軸承外環(huán)設(shè)置換熱冷卻套，使媒介物在冷卻套內(nèi)循環(huán)，達(dá)到冷卻主軸部件的目的。潤(rùn)滑油強(qiáng)制冷則把流經(jīng)主軸軸承和主軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油用冷凍機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，由自動(dòng)恒溫箱達(dá)到恒溫。有效地控制主軸軸承的溫升。三、誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償技術(shù)是提高加工精度的一種經(jīng)濟(jì)、有效方法。熱誤差補(bǔ)償不是一種可有可無(wú)的替代方法，而是繼結(jié)構(gòu)優(yōu)化、溫度控制后的又一種減小機(jī)床熱變形的有效手段。隨著對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度和可靠性要求的不斷提高，人們也不斷進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償?shù)难芯浚摲椒ǖ暮诵氖墙⒁粋€(gè)可預(yù)測(cè)誤差的數(shù)學(xué)模型，在加工過(guò)程中利用這個(gè)模型預(yù)測(cè)誤差，進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。熱誤差的補(bǔ)償可分為主動(dòng)誤差補(bǔ)償和預(yù)先標(biāo)定誤差補(bǔ)

19、償。在主動(dòng)誤差補(bǔ)償中，隨時(shí)直接或間接地測(cè)量熱變形并進(jìn)行補(bǔ)償。日本的Mitsuishi等設(shè)計(jì)了智能加工中心，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)裝有應(yīng)力規(guī)的傳感器監(jiān)測(cè)熱變形，以8個(gè)這樣的傳感器的測(cè)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型的輸入，控制安裝在機(jī)床立柱上的冷卻和加熱套，通過(guò)冷卻和加熱立柱的不同部分補(bǔ)償內(nèi)外熱源造成的熱膨脹和熱傾斜，實(shí)驗(yàn)表明機(jī)床的熱漂移由原來(lái)的50pm減小到10pm以下，控制在原有的1/3水平上。浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)采用了輔助熱源補(bǔ)償熱校正的方法。應(yīng)用輔助的（冷）熱源在機(jī)床適當(dāng)位置上進(jìn)行（制冷）加熱控制，以產(chǎn)生與機(jī)床熱變形相反的變形量，從而減小熱誤差。浙江大學(xué)陳子辰教授在機(jī)床溫度監(jiān)測(cè)控制方面提出了四條監(jiān)控策略：1）

20、低溫升控制；2）高溫升控制；3）熱校正控制；4）綜合控制，以此來(lái)適應(yīng)具有不同熱態(tài)特性的機(jī)床提高熱態(tài)精度。研究表明，某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造等原因?qū)е铝酥饕獌?nèi)熱源冷卻時(shí)無(wú)法快速地、充分地進(jìn)行，特別是大型機(jī)床周?chē)h(huán)境溫差等諸多因素，造成第一種溫度策略的實(shí)施未能達(dá)到理想效果，仍產(chǎn)生較大的誤差，為此采用下面的方案，以冷源法吸收機(jī)床內(nèi)部主要熱源的熱量，再以輔助熱源法校正余下的熱誤差，其熱監(jiān)控系統(tǒng)如圖：針對(duì)現(xiàn)有機(jī)床，綜合溫控技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)。它較少改動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)，可在不降低靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)下較好地達(dá)到改善機(jī)床熱態(tài)精度的目的。數(shù)控機(jī)床誤差的綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法它出現(xiàn)于80年代，其基本方法是實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)和軟件技術(shù)相

21、結(jié)合。它的主要特點(diǎn)為：（1）補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)性。這是指能根據(jù)機(jī)床的工況（轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和載荷等）、環(huán)境條件（室溫、散熱和地基等）和切削作用點(diǎn)的空間位置的變化來(lái)自動(dòng)跟蹤相應(yīng)地調(diào)整補(bǔ)償量。（2）補(bǔ)償?shù)木C合性性。由于機(jī)床工作時(shí)存在多種類(lèi)型誤差（如幾何誤差、熱誤差和承載變形誤差等）的共同作用，而其各自的比重隨工作條件而變化，如高速時(shí)熱誤差占有最大的比重，而低速時(shí)幾何誤差可能是最主要的。因此誤差的綜合補(bǔ)償不僅避免了僅對(duì)單類(lèi)誤差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的效果局限性，也能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償量的優(yōu)化。因此，綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法能進(jìn)一步拓寬補(bǔ)償?shù)墓δ?，并提高了補(bǔ)償精度。綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理誤差的補(bǔ)償方法精髓誤差的特征不同而分為下列兩列：（1）誤差值隨坐

22、標(biāo)位置而變化的空間誤差補(bǔ)償法；（2）誤差不遂坐標(biāo)位置而變化如道具的磨損和工件的裝夾變形等采用線性誤差補(bǔ)償法。1、空間誤差補(bǔ)償原理這類(lèi)誤差影響加工輪廓的尺寸、形狀和孔距，它的量值與坐標(biāo)位置緊密聯(lián)系，因而需在數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)單元中，通過(guò)對(duì)名義坐標(biāo)值附加補(bǔ)償量的辦法來(lái)達(dá)到誤差的修正。圖中示出了補(bǔ)償?shù)脑?，在?shù)控系統(tǒng)中插入補(bǔ)償控制單元，其中存儲(chǔ)了幾何誤差和熱誤差的補(bǔ)償模型，他們根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)位置X,Y,Z和特征測(cè)點(diǎn)上的溫度T及主軸轉(zhuǎn)速n等參數(shù)，確定綜合補(bǔ)償量X，Y和乙然后通過(guò)插補(bǔ)和螺補(bǔ)單元使伺服進(jìn)給系統(tǒng)作附加位移。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，圖中只示出了X軸的伺服進(jìn)給控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)際上必須三軸聯(lián)動(dòng)附加位移，才能準(zhǔn)確補(bǔ)

23、償空間誤差。要實(shí)現(xiàn)空間誤差的綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償必須具備下列四個(gè)條件：（1）要建立一個(gè)精確的誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型。它應(yīng)充分考慮到實(shí)際工況中的因素變動(dòng)，例如在某一時(shí)刻的機(jī)床熱誤差，不僅與當(dāng)前的主軸轉(zhuǎn)速及其運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，還與再此以前的運(yùn)行工況和散熱條件的變化等因素有關(guān)。必須對(duì)當(dāng)前的和過(guò)去的歷程的主要因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，才能獲得正確的補(bǔ)償值。傳統(tǒng)的位吐制環(huán)圖3數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償原理（2）數(shù)控系統(tǒng)要具有集成的通信接口,能及時(shí)地采集刀具與工件作用點(diǎn)位置（包括三維坐標(biāo)、刀具長(zhǎng)度和直徑等）及有關(guān)工況參數(shù)。3）能實(shí)時(shí)地檢測(cè)與誤差補(bǔ)償模型有關(guān)的控制參數(shù)。由于要直接測(cè)量刀具與工件作用點(diǎn)上的數(shù)據(jù)是困難的，一般都是選取能敏

24、感地反映作用點(diǎn)上誤差變化的測(cè)量點(diǎn)及能方便地進(jìn)行測(cè)量的參數(shù)，例如熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償大多以主軸和主電機(jī)前軸承處為特征點(diǎn)，測(cè)量其溫度變化來(lái)進(jìn)行控制。（4）具有良好響應(yīng)特性的補(bǔ)償控制單元。它能高速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實(shí)時(shí)地輸出補(bǔ)償值。2、刀具誤差補(bǔ)償原理刀具誤差是一種線性誤差，它的補(bǔ)償系統(tǒng)由下列三部分組成：（1）刀具誤差測(cè)量裝置。它有直接法和間接法兩種，直接法是測(cè)量刀尖的尺寸變化，間接法則是通過(guò)測(cè)量工件尺寸的變化來(lái)確定刀具的誤差；（2）數(shù)控補(bǔ)償控制單元。它能根據(jù)刀具尺寸的變化歷程和公差帶的大小，自動(dòng)決策合理的補(bǔ)償值，以減少補(bǔ)償調(diào)整的次數(shù)。（3）誤差補(bǔ)償執(zhí)行單元。根據(jù)加工方式不同分為兩類(lèi)。以孔加工為例，如以銑刀

25、用兩軸聯(lián)動(dòng)和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)形成孔的輪廓表面，則可應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的道具偏置功能來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償；另一類(lèi)是由鏜刀刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡形成孔的表面，則需備有可控的沿U軸作微量自動(dòng)調(diào)整的機(jī)構(gòu)以補(bǔ)償?shù)都獬叽绲淖兓?.4伺服系統(tǒng)提高定位精度的方法數(shù)控機(jī)床的定位精度直接影響到機(jī)床的加工精度。傳統(tǒng)上以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)床,由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的固有特性,使得機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量。但是,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量不可能很小,因而定位精度不高。伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量可以比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)小得多，但是，伺服系統(tǒng)的定位精度很難達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量。由于CPU性能已有極大提高,故采用軟件可以有效地提高定位精度。我們分析了常規(guī)控制算

26、法導(dǎo)致伺服系統(tǒng)定位精度誤差較大的原因，提出了分段線性減速并以開(kāi)環(huán)方式精確定位的方法，實(shí)踐中取得了很好的效果。1、伺服系統(tǒng)定位誤差形成原因與克服辦法通常情況下，伺服系統(tǒng)控制過(guò)程為:升速、恒速、減速和低速趨近定位點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程都是位置閉環(huán)控制。減速和低速趨近定位點(diǎn)這兩個(gè)過(guò)程，對(duì)伺服系統(tǒng)的定位精度有很重要的影響。減速控制具體實(shí)現(xiàn)方法很多，常用的有指數(shù)規(guī)律加減速算法、直線規(guī)律加減速算法。指數(shù)規(guī)律加減速算法有較強(qiáng)的跟蹤能力，但當(dāng)速度較大時(shí)平穩(wěn)性較差，一般適用在跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工中。直線規(guī)律加減速算法平穩(wěn)性較好，適用在速度變化范圍較大的快速定位方式中。選擇減速規(guī)律時(shí)，不僅要考慮平穩(wěn)性，更重要的是考慮

27、到停止時(shí)的定位精度。從理論上講，只要減速點(diǎn)選得正確，指數(shù)規(guī)律和線性規(guī)律的減速都可以精確定位，但難點(diǎn)是減速點(diǎn)的確定。通常減速點(diǎn)的確定方法有:如果在起動(dòng)和停止時(shí)采用相同的加減速規(guī)律，則可以根據(jù)升速過(guò)程的有關(guān)參數(shù)和對(duì)稱(chēng)性來(lái)確定減速點(diǎn)。根據(jù)進(jìn)給速度、減速時(shí)間和減速的加速度等有關(guān)參數(shù)來(lái)計(jì)算減速點(diǎn)，在當(dāng)今高速CPU十分普及的條件下，這對(duì)于CNC的伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)很容易實(shí)現(xiàn)，且比方法(1)靈活。伺服控制時(shí)，由軟件在每個(gè)采樣周期判斷:若剩余總進(jìn)給量大于減速點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剩余進(jìn)給量，則該瞬時(shí)進(jìn)給速度不變(等于給定值)，否則，按一定規(guī)律減速。理論上講，剩余總進(jìn)給量正好等于減速點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剩余進(jìn)給量時(shí)減速，并按預(yù)期的減速規(guī)律

28、減速運(yùn)行到定位點(diǎn)停止。但實(shí)際上，伺服系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)采樣周期反饋的脈沖數(shù)是幾個(gè)、十幾個(gè)、幾十個(gè)甚至更多，因而實(shí)際減速點(diǎn)并不與理論減速點(diǎn)重合。如圖1所示，其最大誤差等于減速前一個(gè)采樣周期的脈沖數(shù)。若實(shí)際減速點(diǎn)提前，則按預(yù)期規(guī)律減速的速度降到很低時(shí)還未到一乞采樣周期的進(jìn)給甞V嘲.余j住M合置域速點(diǎn)課差:理論減速點(diǎn)實(shí)際減速蟲(chóng):達(dá)定位點(diǎn),可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)定位點(diǎn)。若實(shí)際減速點(diǎn)滯后于理論減速點(diǎn),則到達(dá)定位點(diǎn)時(shí)速度還較高,影響定位精度和平穩(wěn)性。為此,我們提出了分段線性減速方法。在低速趨近定位點(diǎn)的過(guò)程中，設(shè)速度為VO(mms)，伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為D(Lm),采樣周期為S(ms),則每個(gè)采樣周期應(yīng)反饋的脈沖數(shù)