第6章在線檢測與誤差補償技術

2023/1/156.1概述6.2在線檢測與誤差補償方法6.3微位移技術2023/1/15第6章在線檢測與誤差補償技術2023/1/15一、保證零件加工精度的途徑保證零件加工精度的途徑：1）“蛻化”原則，或稱“母性”原則。機床精度要高于工件要求的精度。2）“進化”原則，或稱“創(chuàng)造性”原則。在精度比工件要求較低的機床上，利用誤差補償技術，提高加工精度，使加工精度比機床原有精度高。提高加工精度的途徑：1）隔離和消除誤差；找出加工誤差產生的根源，采取相應措施，使誤差不產生或少產生。2）誤差補償用相應的措施去“鈍化“、抵消、均化誤差，使誤差減小。第1節(jié)概述2023/1/151.離線檢測

工件加工完畢后，從機床上取下，在機床旁或在檢測室中進行檢測。檢測條件較好，測量精度較高。2.在位檢測

工件加工完畢后，在機床上不卸下工件的情況下進行檢測?？杀苊怆x線檢測由于定位基準所帶來的誤差。3.在線檢測（主動檢測或動態(tài)檢測）

工件在加工過程中的同時進行檢測。能反應實際加工情況，難度較大。二、加工精度的檢測第1節(jié)概述精度檢測按所處的環(huán)境分為：2023/1/15在線檢測特點1）能夠連續(xù)檢測加工過程中的變化，了解在加工過程中誤差分布和發(fā)展；2）檢測結果能反映實際加工情況；3）在線檢測的難度較大；4）在線檢測大都用非接觸傳感器，對傳感器的性能要求較高；5）一般是自動運行，形成在線檢測系統(tǒng)。在線檢測類型1）直接檢測系統(tǒng)：直接檢測工件的加工誤差，并補償2）間接檢測系統(tǒng)：檢測產生加工誤差的誤差源，并補償二、加工精度的檢測第1節(jié)概述2023/1/151.誤差補償的概念在機械加工中出現(xiàn)的誤差采用修正、抵消、均化、“鈍化”等措施使誤差減小或消除。誤差修正（校正）：指對測量、計算、預測所得的誤差進行修正（校正)；誤差分離：指從綜合測量所得的誤差中分離出所需的單項誤差；誤差抵消：指兩個或更多個誤差的相互抵消；誤差補償：對一尺寸、形狀、位置差值的補足。三、誤差補償技術第1節(jié)概述2023/1/15修正法三、誤差補償技術第1節(jié)概述如圖，為了提高絲杠車床的螺距精度，通過杠桿將修正尺和母絲杠的螺母連接。修正尺上的修正曲線使母絲杠的螺母作附加微小轉動，從而使刀架產生附加微小位移來補償母絲杠的螺距誤差。2023/1/15抵消法三、誤差補償技術第1節(jié)概述如圖，為了提高絲杠車床主軸的回轉精度，在裝配時人為地選擇前后軸承的偏心量和偏心方向。若選擇前軸承的偏心量小于后軸承的偏心量，且兩者的偏心在同方向，則可將偏心誤差抵消一部分，從而提高了主軸的回轉精度。2023/1/15均化法三、誤差補償技術第1節(jié)概述多齒分度盤是采用四點易位對角研磨法對上下兩個齒盤進行最終加工。上齒盤上下運動與下齒盤產生研磨運動。上齒盤以正傳180°后翻轉90°的順序轉位，其位置為0°-180°-90°-270°-180°-360°-270°-90°-0°，八次一個循環(huán)，一次循環(huán)后，上齒盤相對下齒盤轉動一個齒，再進行下一個循環(huán)，直至全部齒轉完。該研磨方式可使齒距誤差充分均勻，得到很高的分度精度。2023/1/15鈍化法三、誤差補償技術第1節(jié)概述在車削加工時，由于導軌在垂直面上的縱向直線度會造成刀尖中心高位置的變化，影響工件的加工精度。a圖為刀具安裝在水平位置，若刀尖位置下降h值時，工件在半徑上尺寸會增大；（誤差遲鈍方向）b圖為刀具安裝在垂直位置，若刀尖位置下降h值時，工件在半徑上尺寸會增大。（誤差敏感方向）2023/1/152.誤差補償的類型（1）實時與非實時誤差補償實時誤差補償（在線檢測誤差補償或動態(tài)誤差補償）：加工過程中，實時進行誤差檢測，并緊接著進行誤差補償，不僅可以補償系統(tǒng)誤差，且可以補償隨機誤差。非實時誤差補償：只能補償系統(tǒng)誤差。（2）軟件與硬件誤差補償

軟件補償：通過計算機對所建立的數學模型進行運算后，發(fā)出運動指令，由數控伺服系統(tǒng)完成誤差補償動作。軟件與硬件補償的區(qū)分是看補償信息是由軟件還是硬件產生的。軟件補償的動態(tài)性能好，機械結構簡單、經濟、工作方便可靠。三、誤差補償技術第1節(jié)概述2023/1/15（3）單項與綜合誤差補償

綜合誤差補償是同時補償幾項誤差，比單項誤差補償要復雜，但效率高、效果好。（4）單維與多維誤差補償

多維誤差補償是在多坐標上進行誤差補償，難度和工作量都比較大，是近幾年來發(fā)展起來的誤差補償技術。2.誤差補償的類型三、誤差補償技術第1節(jié)概述2023/1/153.誤差補償過程1）反復檢測出現(xiàn)的誤差并分析，找出規(guī)律，找出影響誤差的主要因素，確定誤差項目。2）進行誤差信號的處理，去除干擾信號，分離不需要的誤差信號，找出工件加工誤差與在補償點的補償量之間的關系，建立相應的數學模型。3）選擇或設計合適的誤差補償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構，以便在補償點實現(xiàn)補償運動。4）驗證誤差補償的效果，進行必要的調試，保證達到預期要求。三、誤差補償技術第1節(jié)概述2023/1/151）誤差信號的檢測2）誤差信號的處理3）誤差信號的建模建模是找出工件加工誤差與在補償作用點上補償控制量之間的關系。4）補償控制根據所建立的誤差模型和實際加工過程，用計算機計算欲補償的誤差值，輸出補償控制量。5）補償執(zhí)行機構補償執(zhí)行機構多用微進給機構完成。12345計算機控制系統(tǒng)誤差補償系統(tǒng)組成示意圖1－誤差信號檢測2－誤差信號處理3－誤差信號建模4－補償控制5－補償執(zhí)行機構4.誤差補償系統(tǒng)的組成三、誤差補償技術第1節(jié)概述2023/1/155.誤差補償技術的發(fā)展1）預報型補償預報補償控制（Fore－castingCompensatoryControl－FCC）技術，利用在線隨機建模理論、先進的傳感技術、計算機技術、微位移技術等，對誤差進行建模和預報，對動態(tài)誤差進行實時補償。2）綜合型補償對工件尺寸、形狀和位置誤差同時進行綜合補償，其中包括對尺寸、形狀和位置一種誤差中的多項誤差進行綜合補償。三、誤差補償技術第1節(jié)概述2023/1/151.外圓、孔類形狀位置誤差的測量方法三點法在P129測量精密主軸的回轉誤差中已經介紹。一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/15轉位法用圓光柵1測量角度位置；用測微儀（測頭傳感器）測量工件形狀誤差和回轉軸系運動誤差；起點電路提供一個作為角度位置的起始點信號。1.外圓、孔類形狀位置誤差的測量方法一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/15分離工件和軸系誤差的轉位法有三種：(1)反轉法測量時只作一次轉位（工件與測頭對軸系回轉180°），共測得兩組數據式中若整個檢測裝置的檢測重復性好，則可得2023/1/15(2)閉合等角轉位法每次轉位時，測頭不動，工件相對于軸系轉角，共測m個位置，，可得m組數據當m很大時，的平均值忽略不計，可得回轉軸系平均運動誤差閉合等角轉位法可用于測量徑向和軸向運動誤差。測量工作量大，不能測得高次諧波，不能用于實時控制。2023/1/15(3)對稱轉位法在0度位置測完后，測頭不動，工件相對于軸系各作一次、轉位角，取轉位角等于采樣間隔角，共得3組數據(1)(2)(3)2023/1/15由式（1）、（3）可得由式（1）、（2）可得等式4和5右邊雖相等，但實測數據不同，取平均值可得一般式由式（4）、（5）可得（4）（5）對稱轉位法可用于測量徑向和軸向運動誤差，操作方便，但檢測工作量較大，也不能用于實時控制。2023/1/152.平面類形狀位置誤差的測量方法平面類形狀位置誤差主要針對超精密機床的導軌直線度、工作臺的臺面直線度和平面度等。測量中的關鍵問題是如何分離工件形狀誤差和機床直線運動誤差。

一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/152.平面類形狀位置誤差的測量方法(1)反轉法測量分兩次進行，在第二次測量時，工件轉過180度，得到兩組數據

式中一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/15若檢測裝置重復性好，可認為可得2.平面類形狀位置誤差的測量方法(1)反轉法（接上頁）一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法測量需進行兩次，不能用于實時控制。2023/1/15(2)平移法測量分兩次進行，在第二次測量時，工件平移一個步距S，得到兩組數據若機床和檢測裝置重復性好，可認為可得2.平面類形狀位置誤差的測量方法一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法該方法簡單方便，不能用于實時控制，且測量誤差會產生累積。2023/1/15(3)兩點法取步距S為兩測頭的間距進行測量，若將機床直線運動部件的角運動誤差忽略不計，則得到與平移法相同的兩個方程式2.平面類形狀位置誤差的測量方法一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法步距越小，機床直線運動部件的角運動誤差越小，但隨著步距數的增大，測量誤差的累積也增大。由于測量是在一次測量中兩測頭同時讀數，故可用于實時控制。2023/1/15(4)三點法用間距為步距S的三個測頭進行測量，則考慮機床直線運動部件角運動誤差，得到3組方程2.平面類形狀位置誤差的測量方法一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法

（1）（2）（3）將式（1）與式（3）相加后減去2倍的式（2）得（4）2023/1/15令由(4)式可計算出(4)三點法(接上頁)2.平面類形狀位置誤差的測量方法一、形狀位置誤差的在線檢測第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法三點法可避免機床直線運動部件角運動誤差的影響，可用于實時控制。難度是要把三點調到一條直線上。因為這三點形成一個測量基準，若不在一條直線上，會出現(xiàn)調整誤差，若步距數為n，則由此造成的誤差將與成正比。所以此方法不適于用在步距數較多的情況。該方法能夠在線檢測和實時控制。2023/1/151.車削工件圓度和圓柱度的誤差補償圓周裝三個電容測頭A、B、C，軸線裝一個電容測頭D。四臺測微儀4的輸出信號-4路采樣保持(S/H)5-模數轉換(A/D)8-計算機系統(tǒng)13。裝在車床主軸后端的光電碼盤3產生同步脈沖及采樣脈沖。由計算機、高速信號處理器9構成的數據采集主從系統(tǒng)完成誤差信號的采集、數據處理、三點法誤差分離計算、數據建模和預報，以及存儲、繪圖和打印等。誤差補償執(zhí)行機構2是一個電致伸縮式微進給刀架。工件圓度誤差平均減小40％，工件圓柱度誤差平均減小23％二、在線檢測與誤差補償系統(tǒng)應用實例第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/152.磨削工件圓度的誤差補償如圖進行外圓磨床主軸徑向圓跳動補償控制的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微處理器13、檢測裝置(由傳感器5、基準盤3和圓感位同步器4組成)和液壓伺服驅動系統(tǒng)7組成。微處理器通過時間序列分析方法，進行誤差在線建模，根據所建立的模型預報外圓磨床主軸在補償點上的徑向圓跳動誤差補償運動值，通過液壓伺服驅動機構推動工件沿砂輪徑向進給，進行工件圓度的補償控制磨削。工件圓度誤差由0.74μm減少到0.375μm。二、在線檢測與誤差補償系統(tǒng)應用實例第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/153.鏜削工件內孔圓柱度的誤差補償造成工件內孔圓柱度誤差的主要原因是鏜桿徑向圓跳動誤差和直線運動的直線度誤差。激光器6發(fā)出激光束作為基準光線照射在裝在鏜桿上的棱鏡3，棱鏡反射光線位置的變動就反映了鏜桿的運動誤差。用x-y雙向光傳感器7檢測棱鏡反射光線位置的變動，測得信號經測量系統(tǒng)8分析處理后傳給計算機系統(tǒng)建模，然后預報出鏜桿在鏜刀各切削位置的誤差補償運動，通過驅動控制壓電陶瓷補償執(zhí)行機構進行內孔鏜削補償加工。補償后的內孔圓柱度誤差減少了56％～64％.二、在線檢測與誤差補償系統(tǒng)應用實例第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/154.立銑工件直線度的誤差補償誤差補償系統(tǒng)由在線測量系統(tǒng)、微機建模與預報系統(tǒng)、補償驅動系統(tǒng)等組成。工件直線度的在線測量系統(tǒng)由發(fā)出兩束激光束的激光器10、兩只觸針式光傳感器4和一根作為基準直線的精密直尺組成，采用兩點法直接測量。所測數據經補償計算機系統(tǒng)處理后，進行隨機數據建模。測量位置和銑刀位置不同，存在時間滯后，采用超前預報。根據預報誤差控制電液伺服驅動系統(tǒng)5，使銑床主軸帶動銑刀作上下運動，進行補償。該系統(tǒng)能使直線度誤差減少80％。二、在線檢測與誤差補償系統(tǒng)應用實例第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/155.數控立銑工件平面度的誤差補償誤差補償系統(tǒng)由激光平面度誤差在線測量、液壓精密定位和微機控制三部分組成。平面工件1被裝夾在夾具4上，夾具裝夾在工作臺上，夾具內裝有一套平面度誤差測量系統(tǒng)12，一束激光束9作為測針，另一束激光束7用于產生三束反射光線，采用三點法直接測量。兩臺步進電機5和6分別帶動工作臺沿切削方向和進給方向移動。測量所得數據經測量系統(tǒng)分析處理后傳給計算機系統(tǒng)建模，進行預報，驅動液壓伺服執(zhí)行機構對工件進行平面度誤差補償，平面度誤差可減少80％。二、在線檢測與誤差補償系統(tǒng)應用實例第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/156.精密絲杠螺距的誤差補償主軸溜板壓電陶瓷誤差補償系統(tǒng)由微機、微處理器、測量系統(tǒng)、補償執(zhí)行機構組成。光電碼盤每轉發(fā)出一定數量脈沖（如2048個、1024個）測量主軸的回轉位置，線性位移傳感器（如光柵）測量溜板相對于主軸回轉位置的位移，兩組數據送入微處理器進行在線分析處理，得出機床絲杠的螺距誤差數據，再送入微機進行建模，通過微處理器進行預報控制，驅動壓電陶瓷車削補償執(zhí)行機構作螺距誤差補償。能使單個螺距誤差可減少89％。二、在線檢測與誤差補償系統(tǒng)應用實例第2節(jié)在線檢測與誤差補償方法2023/1/15

微位移系統(tǒng)由微位移機構、檢測裝置和控制系統(tǒng)組成，為了實現(xiàn)小行程（一般小于毫米級）、高靈敏度和高精度（一般為亞微米、納米級）的位移。微位移機構是實現(xiàn)微位移的執(zhí)行機構，其核心部分是微位移器件；檢測裝置是用來測量微位移的移動量及其精度，在閉環(huán)系統(tǒng)中作為反饋信號；控制系統(tǒng)用來控制整個系統(tǒng)的工作，通過控制策略實現(xiàn)需求的技術性能指標。一、微位移系統(tǒng)及應用第3節(jié)微位移技術2023/1/15微位移系統(tǒng)的應用：1）微進給利用微位移機構實現(xiàn)準確的微進給量、微吃刀量和精確對刀。2）誤差補償在精密機床中，采用粗精結合的兩套進給系統(tǒng)，構成兩個工作臺，粗進給系統(tǒng)形成的粗工作臺實現(xiàn)高速大行程，精進給系統(tǒng)形成的微動工作臺對粗工作臺的運動進行誤差補償。3）精密調整調整浮動間隙、焦距和對準坐標原點等。一、微位移系統(tǒng)及應用第3節(jié)微位移技術2023/1/15二、微位移機構的類型第3節(jié)微位移技術1.機械類微位移機構2023/1/15二、微位移機構的類型第3節(jié)微位移技術2023/1/15二、微位移機構的類型第3節(jié)微位移技術機械類微位移機構特點：精度不高，結構復雜、制造技術難度大，但性能比較穩(wěn)定、價格便宜、使用方便，應用廣泛。利用巧妙的機械結構實現(xiàn)微位移。其中彈性變形件應用前景較好?？勺龀杀∑?、鉸鏈、伸縮管、扭擺等形式。見圖6-17，單軸柔性鉸鏈是一維的，雙軸柔性鉸鏈是二維的?？勺龀删匦魏蛨A形。2023/1/15二、微位移機構的類型第3節(jié)微位移技術2.液壓類微位移機構采用液壓為動力，彈性膜片為彈性變形元件實現(xiàn)微位移。多用于已具有液壓系統(tǒng)的設備中。2023/1/15二、微位移機構的類型第3節(jié)微位移技術3.電動類微位移機構通過選用不同長度的磁致伸縮材料棒或管，改變通入線圈電流的強度，即可獲得精確的微小位移量。2023/1/15二、微位移機構的類型第3節(jié)微位移技術電動類微位移機構可分為：電熱、電磁、機電耦合效應（電致伸縮、壓電效應）等多種。電熱式：利用電熱轉換，使材料受熱伸長而微位移。電磁式：利用電磁力、（電）磁致伸縮等原理來實現(xiàn)微位移。電致伸縮和壓電式微位移機構：利用材料的電致伸縮現(xiàn)象、壓電效應來實現(xiàn)微位移。2023/1/151.平行彈性導軌微位移工作臺

若步進電動機的輸入位移為，微動工作臺的輸出位移為，兩個彈簧的剛度分別為，則三、典型微位移工作臺第3節(jié)微位移技術2023/1/152.電磁控制微位移工作臺三、典型微位移工作臺第3節(jié)微位移技術若忽略工作臺移動時的摩擦力，根據電磁鐵的吸引力等于彈簧的拉力，可得工作臺在某方向的位移B-磁通密度(T)；A-磁極截面面積(m2)；μ-磁導率(H/m)；k-彈簧剛度(N/m).工作臺移動的距離與通過電磁鐵線圈的電流和線圈圈數乘積的平方成正比。2023/1/153.磁致伸縮微位移工作臺磁致伸縮效應：放置于磁場中的材料發(fā)生尺寸和形狀變化的現(xiàn)象。磁致伸縮機構是利用鐵磁材料在磁場的作用下產生微伸長運動來實現(xiàn)微位移的，改變磁場強度可控制伸長率，但鐵磁材料在磁場的作用下，除了產生磁致伸縮外，還伴有發(fā)熱現(xiàn)象。鐵磁材料、鐵鋁合金有正伸長特性，鎳有負伸長特性，鈷和鈷合金根據材料組織成分有正或負伸長特性。三、典型微位移工作臺第3節(jié)微位移技術2023/1/154.電致伸縮微位移工作臺電致伸縮效應：電介質在外電場的作用下，由于感應極化的作用而產生應變，其應變大小與電場強度的平方成正比，其應變方向與電場方向無關。電致伸縮材料：鈮鎂酸鉛系列（PMN，是由PbO,MgO,Nb2O3,TiO2,BaCO3,ZrO等按比例燒結而成）、弛豫鐵電體（具有大電致伸縮效應）、雙弛豫鐵電體（具有大電致伸縮效應和良好溫度穩(wěn)定性）、PZT（鉛、鋯Zr、鈦）鐵電陶瓷系列等。電致伸縮器件具有結構緊湊、體積小、分辨率高、無發(fā)熱現(xiàn)象、控制簡單等特點。三、典型微位移工作臺第3節(jié)微位移技術2023/1/155.壓電效應微位移工作臺1)正壓電效應（簡稱壓電效應）：電介質受到機械應力作用時，會產生電極化（表面產生電荷），電極化的大?。姾擅芏龋┡c施加的機械應力成正比，電極化的方向隨應力的方向而改變。逆壓電效應：電介質在外電場的作用下，將產生應變，應變大小與電場大小成正比，應變方向與電場方向有關，當電場的方向改變時，應變的方向也隨著改變。2)壓電材料：鐵電晶體和壓電晶體兩類。常用的鐵電晶體是鐵電陶瓷，其變形量大，但壓電性不如壓電晶體；常用的壓電晶體有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）（用在微位移上較多，靈敏度高，機電耦合系數大，材料性能穩(wěn)定性好，相變溫度高（300°C），可做高溫壓電元件）。三、典型微位移工作臺第3節(jié)