數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)總結(jié)

1、數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)的學(xué)習(xí)總結(jié)第1章 緒論制造業(yè)的高速發(fā)展和加工業(yè)的快速提高，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度的要求日益提高。一般來說，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 機(jī)床熱變形誤差；3 機(jī)床幾何誤差；4 切削力（引起的）誤差；5 刀具磨損誤差；6 其它誤差源，如機(jī)床軸系的伺服誤差，數(shù)控插補(bǔ)算法誤差。其中熱變形誤差和幾何誤差為最主要的誤差，分別占了總誤差的45、20。提高機(jī)床加工精度有兩種基本方法：誤差防止法和誤差補(bǔ)償法（或稱精度補(bǔ)償法）。誤差防止法依靠提高機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和安裝精度，即通過提高機(jī)床本書的精度來滿足機(jī)械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于機(jī)床精度

2、，因此該方法存在很大的局限性，并且經(jīng)濟(jì)上的代價(jià)也很昂貴。誤差補(bǔ)償法是認(rèn)為地造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問題的原始誤差，以達(dá)到減小加工誤差，提高零件加工精度目的的方法。誤差補(bǔ)償法需要投入的費(fèi)用很小，誤差補(bǔ)償技術(shù)是提高機(jī)床加工精度的經(jīng)濟(jì)和有效的手段，其工程意義非常顯著。誤差補(bǔ)償技術(shù)（Error Compensation Technique，簡稱ECT）是由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出的加工精度要求越來越高、隨著精密工程發(fā)展水平的日益提高而出現(xiàn)并發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。誤差補(bǔ)償技術(shù)具有兩個(gè)主要特性：科學(xué)性和工程性。1機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)可分為下面七個(gè)基本內(nèi)容：1 誤差及誤差源分析；2 誤差運(yùn)動(dòng)

3、綜合數(shù)學(xué)模型的建立； 3 誤差檢測；4 溫度測點(diǎn)選擇和優(yōu)化布置技術(shù)；5 誤差元素建模技術(shù)；6 誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)及實(shí)施；7 誤差補(bǔ)償實(shí)施的效果檢驗(yàn)。2數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)牟襟E：1 誤差源的分析和檢測；2 誤差綜合數(shù)學(xué)模型的建立；3 誤差元素的辨識(shí)和建模；4 誤差補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行；5 誤差補(bǔ)償效果的評(píng)價(jià)。3數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)研究的現(xiàn)狀：1 過長的機(jī)床特性檢測和辨識(shí)時(shí)間；2 溫度測點(diǎn)布置位置優(yōu)化；3 誤差補(bǔ)償模型的魯棒性；4 誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及實(shí)施；5 五軸數(shù)控機(jī)床多誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償問題。4數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)研究的發(fā)展趨勢：1 多誤差高效檢測方法；2 多誤差的綜合補(bǔ)償；3 多軸誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償；4 實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制系

4、統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、群控化；5 補(bǔ)償?shù)闹悄芑c開放化。第2章 數(shù)控機(jī)床誤差及其形成機(jī)理一、 誤差的概念1. 機(jī)床誤差機(jī)床工作臺(tái)或刀具在運(yùn)動(dòng)中，理想位置和實(shí)際位置的差異（機(jī)床誤差位置誤差）,或就稱機(jī)床位置誤差。機(jī)床精度-機(jī)床工作臺(tái)或刀具在運(yùn)動(dòng)中，理想位置和實(shí)際位置的相符程度。2. 加工誤差由刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的非期望分量引起的。3. 運(yùn)動(dòng)誤差-機(jī)床運(yùn)動(dòng)元件（如刀具與工件）之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的誤差。4. 機(jī)床幾何誤差-是指機(jī)床上零、部件的制造與安裝過程中因幾何尺寸、位置等產(chǎn)生的偏差，造成機(jī)床上某些零件位置產(chǎn)生偏差，從而使得機(jī)床在刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生位置誤差，最終表現(xiàn)在機(jī)床的加工精度上。運(yùn)動(dòng)誤差-機(jī)

5、床運(yùn)動(dòng)元件（如刀具與工件）之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的誤差。5. 熱（變形）誤差-機(jī)床溫度變化引起變形造成的機(jī)床零件間相對(duì)位置及形狀等誤差。6. 力（變形）誤差-機(jī)床受力（包括切削力、工件和夾具重力、裝夾力，機(jī)床部件本身重力，等等）引起變形造成的機(jī)床零件間相對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)中的非期望分量引起的。二、 誤差的分類1. 分類一：靜態(tài)誤差、準(zhǔn)靜態(tài)誤差、動(dòng)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(jī)床幾何誤差元素1. 移動(dòng)副誤差元素分析根據(jù)一個(gè)物體在空間運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度，故機(jī)床移動(dòng)部件在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)共有6項(xiàng)誤差，其中包括3項(xiàng)移動(dòng)誤差和3項(xiàng)

6、轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，同時(shí)還存在3個(gè)垂直度誤差。2. 轉(zhuǎn)動(dòng)副誤差元素分析轉(zhuǎn)動(dòng)副繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在六個(gè)誤差元素，包括三個(gè)移動(dòng)誤差和三個(gè)轉(zhuǎn)角誤差。3. 主軸誤差元素機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)存在五個(gè)誤差元素，包括三個(gè)移動(dòng)誤差和兩個(gè)轉(zhuǎn)角誤差。四、 機(jī)床熱變形機(jī)理金屬材料具有熱脹冷縮的特性，當(dāng)機(jī)床處于工作狀態(tài)時(shí)，由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)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。五、 機(jī)床熱變形形態(tài)及對(duì)策(一) 機(jī)床熱變形狀況1、 普通車床的主軸箱溫度高，其右邊溫度高于左邊，主軸軸線被抬高并右高左低的傾斜；床身溫度上高下低，故彎曲而中凸。2、 升降臺(tái)銑床的主軸處溫高，機(jī)床中部溫高，故主軸被抬高并傾斜，立柱外翻

7、；工作臺(tái)溫度上高下低，故彎曲而中凸。3、 臥式磨床主軸箱右側(cè)處溫高，故主軸向內(nèi)傾斜。4、 立式磨床的立柱左側(cè)溫高，主軸被抬高并傾斜，立柱外翻。5、 龍刨或龍門銑的主軸右側(cè)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(jī)床熱變形的對(duì)策1、 優(yōu)化機(jī)床設(shè)計(jì)，減小熱變形2、 強(qiáng)制冷卻，控制機(jī)床溫升3、 設(shè)置輔助熱源4、 補(bǔ)償技術(shù)5、 控制溫度環(huán)境第3章 機(jī)床誤差綜合數(shù)學(xué)模型一、 機(jī)床誤差綜合數(shù)學(xué)模型建模的具體步驟：1、 建立坐標(biāo)系2、 建立誤差轉(zhuǎn)換矩陣3、 建立刀具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系之間的關(guān)系二、 機(jī)床誤差綜合模型的建模方法：1、 設(shè)定坐標(biāo)系2、 誤差運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣3、 TXYZ型加工中心

8、的綜合數(shù)學(xué)模型第4章 機(jī)床誤差檢測技術(shù)一、 機(jī)床誤差檢測技術(shù)檢測機(jī)床幾何精度傳統(tǒng)的常用檢測工具有：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。二、 溫度測點(diǎn)布置技術(shù)(一) 溫度測點(diǎn)的選擇在機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償中，溫度測點(diǎn)的布置是關(guān)鍵和難點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)臏囟葴y點(diǎn)不但能減少用于建模的測點(diǎn)數(shù)目，簡化建模過程和熱誤差模型，而且還可提高機(jī)床熱誤差模型的精度。在幾乎所有應(yīng)用的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)中，溫度測點(diǎn)位置的確定在一定程度上是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試湊的過程，我們稱試湊法。它通常是先基于工程判斷，在機(jī)床的不同位置安裝大量的溫度傳感器，再采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析來選出少量的溫度傳感器用于誤差分量的建模。具體

9、步驟如下框圖：(二) 溫度測點(diǎn)布置策略1、 主因素策略主因素策略的意思是用于熱誤差建模的各溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù) Tij 應(yīng)與熱誤差數(shù)據(jù) Ej 有一定的聯(lián)系，即具有一定的相關(guān)性，用數(shù)學(xué)式子表達(dá)為：其中：i=1, 2, ., m, m為溫度測點(diǎn)數(shù)； j=1, 2, ., n, n為測量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。2、 能觀測性策略能觀測性策略是指所選溫度點(diǎn)的溫度信號(hào)能否具有一定精度地表達(dá)機(jī)床熱誤差。對(duì)于機(jī)床熱動(dòng)態(tài)過程，一般有：其中T為機(jī)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、D分別為常數(shù)矩陣。狀態(tài)完全能觀測（即溫度T能表達(dá)熱誤差L）的充分必要條件是其能觀測性矩陣 G = CT ATCT (

10、AT )n-1CT 滿秩。由此可得下列結(jié)論：(1) 可觀測性條件或溫度對(duì)于熱誤差的表達(dá)與溫度傳感器在機(jī)床上的位置緊密有關(guān)；(2) 只要布置合適，少量的溫度測點(diǎn)也能表達(dá)熱誤差；(3) 為了保證可觀測性或用溫度表達(dá)熱誤差，溫度傳感器應(yīng)避免布置在特征函數(shù)的零點(diǎn)位置上。第5章 機(jī)床誤差元素建模技術(shù)數(shù)控機(jī)床的誤差因素有很多,其中幾何誤差和熱誤差是影響數(shù)控機(jī)床精度的主要誤差因素.一般情況下,幾何誤差和熱誤差混雜,給建模造成一定的難度。由于幾何誤差和坐標(biāo)誤差與坐標(biāo)位置有關(guān)，熱誤差與溫度有關(guān)，而實(shí)際檢測到的誤差是幾何誤差和熱誤差的復(fù)合誤差，因此可把以上誤差分為僅與機(jī)床坐標(biāo)位置有關(guān)的幾何誤差因素、僅與機(jī)床溫度有

11、關(guān)的熱誤差因素、與機(jī)床溫度和位置坐標(biāo)都有關(guān)的復(fù)合誤差因素三類。機(jī)床誤差元素建模技術(shù)1、 僅與機(jī)床溫度有關(guān)的熱誤差元素建模由于機(jī)床熱誤差在很大程度上取決于諸如加工條件、加工周期、冷卻液的使用以及周圍環(huán)境等等多種因素，而且機(jī)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(xué)模型是相當(dāng)困難的。最為常用的熱誤差建模方法為實(shí)驗(yàn)建模法，即根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論對(duì)熱誤差數(shù)據(jù)和機(jī)床溫度值作相關(guān)分析用最小二乘原理進(jìn)行擬合建模。(1) 最小二乘建模(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模(3) 模糊理論建模(4) 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建模(5) 綜合最小二乘建模(6) 遞推最小二乘建模 2、 僅與機(jī)床坐標(biāo)有關(guān)的幾何誤差元素建模依據(jù)剛體

12、假設(shè)，可使用機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置坐標(biāo)的多項(xiàng)式模型對(duì)某些幾何誤差院元素進(jìn)行擬合，即： Eg(p) = a0 + a1p + a2p2 + .其中： p 為 p 軸的位置坐標(biāo)，p 是 x、y 或 z。 應(yīng)用多項(xiàng)式擬合法的原理建模。3、 與機(jī)床溫度和坐標(biāo)有關(guān)的誤差元素建模第6章 補(bǔ)償控制系統(tǒng)一、 補(bǔ)償控制方式誤差補(bǔ)償實(shí)施是移動(dòng)刀具或工件使刀具和工件之間在機(jī)床空間誤差的逆方向上產(chǎn)生一個(gè)大小與誤差接近的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床誤差補(bǔ)償控制方式一般可分為以下三種：閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制方式、開環(huán)前饋補(bǔ)償控制方式和半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制方式。1、 閉環(huán)（反饋）補(bǔ)償控制方式閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制在機(jī)械加工過程中直接補(bǔ)償實(shí)際測量值和理

13、論值之間的誤差。2、 開環(huán)（前饋）補(bǔ)償控制方式開環(huán)前饋補(bǔ)償控制利用預(yù)先求得的加工誤差數(shù)學(xué)模型，預(yù)測誤差而進(jìn)行補(bǔ)償。3、 半閉環(huán)（前饋）補(bǔ)償控制方式半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制選擇幾個(gè)比較容易檢測，又能表征系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境條件的參量作為誤差數(shù)學(xué)模型的變量，建立加工誤差和這些參量的并反映規(guī)律的關(guān)系式。比較以上三種補(bǔ)償系統(tǒng)，閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償精度最高，而缺點(diǎn)是系統(tǒng)制造成本也最高；開環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)制造成本最低，而補(bǔ)償精度也最低；半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)的功能與價(jià)格比最佳，故根據(jù)我國的具體情況，以經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、實(shí)用和精度等綜合考慮，選用半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)是相對(duì)最優(yōu)的控制方式。二、 誤差

14、補(bǔ)償控制系統(tǒng)的補(bǔ)償實(shí)施策略在早期的誤差補(bǔ)償研究中，誤差是通過離線修改數(shù)控代碼而實(shí)現(xiàn)的。該方法相當(dāng)耗時(shí)，且假定離線辨識(shí)的誤差在實(shí)際加工中保持相同。近年來，開發(fā)了兩種不同的策略來實(shí)施誤差補(bǔ)償：反饋中斷策略、原點(diǎn)平移策略。1、 反饋中斷策略反饋中斷策略是將相位信號(hào)插入伺服系統(tǒng)的反饋環(huán)中而實(shí)現(xiàn)的。補(bǔ)償用計(jì)算機(jī)獲取編碼器的反饋信號(hào)，同時(shí)，該計(jì)算機(jī)還根據(jù)誤差運(yùn)動(dòng)綜合數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)床的空間誤差，且將等同于空間誤差的脈沖信號(hào)與編碼器信號(hào)相加減。伺服系統(tǒng)據(jù)此實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)床拖板的位置。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無需改變CNC控制軟件，可用于任何CNC機(jī)床，包括一些具有機(jī)床運(yùn)動(dòng)副位置反饋裝置的老型號(hào)CNC機(jī)床。然而，該技術(shù)需要特

15、殊的電子裝置將相位信號(hào)插入伺服環(huán)中。這種插入有時(shí)是非常復(fù)雜的，需要特別小心，以免插入信號(hào)與機(jī)床本身的反饋信號(hào)相干涉。2、 原點(diǎn)平移策略補(bǔ)償用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)床的空間誤差，這些誤差量作為補(bǔ)償信號(hào)送至CNC控制器，通過I/O口平移控制系統(tǒng)的參考原點(diǎn)，并加到伺服環(huán)的控制信號(hào)中以實(shí)現(xiàn)誤差量的補(bǔ)償。這種補(bǔ)償既不影響坐標(biāo)值，也不影響CNC控制器上執(zhí)行的工件程序，因而，對(duì)操作者而言，該方法是不可見的。原點(diǎn)平移法不用改變?nèi)魏蜟NC機(jī)床的硬件，但它需要改變CNC控制器中的可編程控制器（PLC）單元，以便在CNC端可以接收補(bǔ)償值。這種改變在老型號(hào)的CNC控制器中也許是不可能的。第7章 車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償應(yīng)用實(shí)例一

16、、 車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償應(yīng)用實(shí)例1、 問題的提出隨著加工進(jìn)行，機(jī)床溫度升高，機(jī)床各部件產(chǎn)生熱變形，由此使得刀具與工件的相對(duì)位置變化而造成工件尺寸的變化。2、 溫度場、熱誤差的檢測和分析(1) 溫度傳感器布置及試驗(yàn)系統(tǒng)的建立(2) 熱誤差測量試驗(yàn)(3) 一系列影響熱誤差的單因素試驗(yàn)3、 熱誤差模態(tài)分析4、 熱誤差建模5、 補(bǔ)償控制系統(tǒng)及補(bǔ)償效果檢驗(yàn)二、 數(shù)控雙主軸車床幾何誤差和熱誤差綜合實(shí)時(shí)補(bǔ)償應(yīng)用1、 幾何和熱誤差綜合數(shù)學(xué)模型的簡化2、 誤差元素檢測和建模(1) 溫度傳感器的布置(2) 與機(jī)床拖板位置有關(guān)誤差元素的檢測和建模(3) 與機(jī)床拖板位置無關(guān)誤差元素的檢測和建模3、 誤差補(bǔ)償系統(tǒng)4、

17、 誤差補(bǔ)償效果檢驗(yàn)(1) 主軸熱漂誤差檢驗(yàn)(2) 對(duì)角斜線檢驗(yàn)(3) 實(shí)際補(bǔ)償切削效果檢驗(yàn)學(xué)習(xí)心得體會(huì)在提高機(jī)床加工精度有兩種基本方法中，誤差防止法是靠提高機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和安裝精度，即通過提高機(jī)床本書的精度來滿足機(jī)械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于機(jī)床精度，因此該方法存在很大的局限性，并且經(jīng)濟(jì)上的代價(jià)也很昂貴。誤差補(bǔ)償法是認(rèn)為地造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問題的原始誤差，以達(dá)到減小加工誤差，提高零件加工精度目的的方法。誤差補(bǔ)償法需要投入的費(fèi)用很小，誤差補(bǔ)償技術(shù)是提高機(jī)床加工精度的經(jīng)濟(jì)和有效的手段，其工程意義非常顯著。所以，誤差補(bǔ)償技術(shù)必然成為提高機(jī)床加工精度的最重要辦法，成為研究的前沿和主流。我們通過本課程對(duì)誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行