精密特種加工第5講在線檢測與誤差補償

1、Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining第四講第四講 在線檢測與誤差補償技術在線檢測與誤差補償技術一、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）“進化進化”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）誤差補償，用相應的措施去鈍化、抵消、）誤差補償，用相應的措施去鈍

2、化、抵消、均化誤差，使誤差減小。均化誤差，使誤差減小。二、加工精度的檢測二、加工精度的檢測1.1.離線檢測離線檢測 工件加工完畢后，從機床上取下，在機床工件加工完畢后，從機床上取下，在機床旁或在檢測室中進行檢測。旁或在檢測室中進行檢測。2.2.在位檢測在位檢測 工件加工完畢后，在機床上不卸下工件的工件加工完畢后，在機床上不卸下工件的情況下進行檢測。情況下進行檢測。3.3.在線檢測在線檢測 工件在加工過程中的同時進行檢測，又稱工件在加工過程中的同時進行檢測，又稱主動檢測、動態(tài)檢測。主動檢測、動態(tài)檢測。在線檢測特點在線檢測特點1 1）能夠連續(xù)檢測加工過程中的變化，了解在加工過）能夠連續(xù)檢測加工過程

3、中的變化，了解在加工過程中誤差分布和發(fā)展；程中誤差分布和發(fā)展；2 2）檢測結(jié)果能反映實際加工情況；）檢測結(jié)果能反映實際加工情況；3 3）在線檢測的難度較大；）在線檢測的難度較大；4 4）在線檢測大都用非接觸傳感器，對傳感器的性能）在線檢測大都用非接觸傳感器，對傳感器的性能要求較高；要求較高；5 5）一般是自動運行，形成在線檢測系統(tǒng)。）一般是自動運行，形成在線檢測系統(tǒng)。在線檢測類型在線檢測類型1 1）直接檢測系統(tǒng)：直接檢測工件的加工誤差，并補償）直接檢測系統(tǒng)：直接檢測工件的加工誤差，并補償2 2）間接檢測系統(tǒng)：檢測產(chǎn)生加工誤差的誤差源，并補）間接檢測系統(tǒng)：檢測產(chǎn)生加工誤差的誤差源，并補償償三、誤

4、差補償技術三、誤差補償技術1.1.誤差補償?shù)母拍钫`差補償?shù)母拍?在機械加工中出現(xiàn)的誤差采用在機械加工中出現(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償。補償。 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）是指對測量、計算、預測所得的誤差進行修正（校對測量、計算、預測所得的誤差進行修正（校正正) )；誤差分離誤差分離是指從綜合測量所得的誤差中分是指從綜合測量所得的誤差中分離出所需的單項誤差；離出所需的單項誤差；誤差抵消誤差抵消是指兩個或更是指兩個或更多個誤差的相互抵消；多個誤差的相互抵消；誤差補償誤差補

5、償是對一尺寸、是對一尺寸、形狀、位置差值的補足。形狀、位置差值的補足。2.2.誤差補償?shù)念愋驼`差補償?shù)念愋停? 1）實時與非實時誤差補償）實時與非實時誤差補償 實時誤差補償實時誤差補償加工過程中，實時進行誤差加工過程中，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。非實時誤差系統(tǒng)誤差，且可以補償隨機誤差。非實時誤差補償補償只能補償系統(tǒng)誤差。只能補償系統(tǒng)誤差。（2 2）軟件與硬件誤差補償）軟件與硬件誤差補償 軟件補償軟件補償通過計算機對所建立的數(shù)學模型通過計算機對所建立的數(shù)學模型進行運算后，發(fā)出運動指令，由數(shù)控隨動系統(tǒng)進

6、行運算后，發(fā)出運動指令，由數(shù)控隨動系統(tǒng)完成誤差補償動作。軟件與硬件補償?shù)膮^(qū)分是完成誤差補償動作。軟件與硬件補償?shù)膮^(qū)分是看補償信息是由軟件還是硬件產(chǎn)生的?？囱a償信息是由軟件還是硬件產(chǎn)生的。2.2.誤差補償?shù)念愋驼`差補償?shù)念愋停? 3）單項與綜合誤差補償）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。誤差補償要復雜，但效率高、效果好。（4 4）單維與多維誤差補償）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，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)展起來難度和工作量都比較

7、大，是近幾年來發(fā)展起來的誤差補償技術。的誤差補償技術。3.3.誤差補償過程誤差補償過程1 1）反復檢測出現(xiàn)的誤差并分析，找出規(guī)律，找出影）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，響誤差的主要因素，確定誤差項目確定誤差項目。2 2）進行誤差信號的處理，去除干擾信號，分離不需）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，要的誤差信號，找出工件加工誤差與在補償點的補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(shù)學模型。償量之間的關系，建立相應的數(shù)學模型。3 3）選擇或設計合適的誤差補償）選擇或設計合適的誤差補償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，以便在補

8、償點實現(xiàn)補償運動。以便在補償點實現(xiàn)補償運動。4 4）驗證誤差補償?shù)男Ч?，進行必要的調(diào)試，保證達）驗證誤差補償?shù)男ЧM行必要的調(diào)試，保證達到預期要求。到預期要求。1 1）誤差信號的檢測）誤差信號的檢測2 2）誤差信號的處理）誤差信號的處理3 3）誤差信號的建模）誤差信號的建模4 4）補償控制）補償控制5 5）補償執(zhí)行機構(gòu)）補償執(zhí)行機構(gòu)12345計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)誤差補償系統(tǒng)組成示意圖誤差補償系統(tǒng)組成示意圖1 1誤差信號檢測誤差信號檢測 2 2誤差信號處理誤差信號處理 3 3誤差信號建模誤差信號建模 4 4補償控制補償控制 5 5補償執(zhí)行機構(gòu)補償執(zhí)行機構(gòu)4.4.誤差補償系統(tǒng)的組成誤差補

9、償系統(tǒng)的組成5.5.誤差補償技術的發(fā)展誤差補償技術的發(fā)展1 1）預報型補償）預報型補償 ForeForecasting Compensatory Controlcasting Compensatory ControlFCCFCC技術，利用在線隨機建模理論、先進的傳感技術、計技術，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，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。對動態(tài)誤差進行實時補償。2 2）綜合型補償）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，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

10、和位置一種誤差中的多項誤差其中包括對尺寸、形狀和位置一種誤差中的多項誤差進行綜合補償。進行綜合補償。一、形狀位置誤差的在線檢測一、形狀位置誤差的在線檢測1.1.外圓、孔類形狀位置誤差的測量方法外圓、孔類形狀位置誤差的測量方法三點法三點法 建立如圖所示的直角坐標系。建立如圖所示的直角坐標系。O O1 1點的極坐標為點的極坐標為x(x() )和和y(y() )。s(s() )為被測工件的輪廓形狀誤為被測工件的輪廓形狀誤差。測微儀差。測微儀A A、B B、C C的輸出信號的輸出信號分別為分別為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() )得三點法誤差分離基本方得三點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號 )( P測量時，若取采樣點數(shù)為測量時，若取采樣點數(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 最后求得任意時刻機床主軸回轉(zhuǎn)運動誤差最后求得任意時刻機床

12、主軸回轉(zhuǎn)運動誤差)()()(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 采用圓光柵測量角度采用圓光柵測量角度位置，用測微儀（測頭位置，用測微儀（測頭傳感器）測量工件形狀傳感器）測量工件形狀誤差和回轉(zhuǎn)軸系運動誤誤差和回轉(zhuǎn)軸系運動誤差，起點電路提供一個差，起點電路提供一個作為角度位置的起始點作為角度位置的起始點信號。信號。轉(zhuǎn)位法轉(zhuǎn)位法反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法測量時只作一次轉(zhuǎn)位，共測得兩組數(shù)據(jù)測量時只作一次轉(zhuǎn)位，共測得兩組數(shù)據(jù))()()(11iiiSMV )()()(

13、22iiiSMV 軸軸系系運運動動誤誤差差分分別別為為兩兩次次測測得得的的回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、所所測測得得的的兩兩組組信信號號分分別別為為測測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測頭頭傳傳感感器器所所測測得得信信號號 )(iS 采采樣樣點點序序號號 i采采樣樣點點角角度度位位置置 i 式中式中若整個檢測裝置的檢測重復性好，則若整個檢測裝置的檢測重復性好，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，測頭不動，工件相對于軸系轉(zhuǎn)每次轉(zhuǎn)位

14、時，測頭不動，工件相對于軸系轉(zhuǎn) 角，共角，共測測m m個位置，個位置， ，可得，可得m m組數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)0360 m )/360()()(0miSMVii 運運動動誤誤差差；所所測測得得的的一一組組回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸系系測測頭頭傳傳感感器器在在某某個個位位置置所所測測得得的的一一組組數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)；測測頭頭傳傳感感器器在在某某個個位位置置 )()( iiMV件形狀誤差部分；件形狀誤差部分；所測得的一組信號中工所測得的一組信號中工測頭傳感器在某個位置測頭傳感器在某個位置 )/360(0miS m1 測測量量位位置置序序號號，ii mVMi/)()( 當當m m很大時，很大時， 的平均值忽略不計，可得回轉(zhuǎn)軸系平

15、的平均值忽略不計，可得回轉(zhuǎn)軸系平均運動誤差均運動誤差)( iS對稱轉(zhuǎn)位法對稱轉(zhuǎn)位法在在0 0度位置測完后，測頭不動，工件相對于軸系各作度位置測完后，測頭不動，工件相對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 ；采采樣樣序序號號，n1 ii位位置置所所測測得得的的信信號號；、測測頭頭傳傳感感器器分分別別在在、 01200)()()( iiiVVV軸軸系系運運動動誤誤差差；測測頭頭傳傳感感器器所所測測得得回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) )(iM 中中工工件件形形狀狀誤誤差差部部分分。測測頭頭傳傳感感器器所所測測得得信信

16、號號 )(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量方法平面類形狀位置誤差的測量方法反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法測量分兩次進行，在第二次測量時，工件轉(zhuǎn)過測量分兩次進行，在第二次測量時，工件轉(zhuǎn)過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。采樣點采樣點采樣點序號；采樣點序號；形狀誤差部分；形狀誤差部分；測頭所測得信號中工件測頭所測得信號中工件直線運動誤差；直線運動誤差；分別為兩次測得的機床分別為兩次測得的機床、的兩組信號；的兩組信號；分別為測頭兩次所測得分別為測頭兩次所測得、xxixSxMxMxVxViiiiii )()()()()

18、(2121式中式中若檢測裝置重復性好，可認為若檢測裝置重復性好，可認為)()()(21iiixMxMxM 可得可得 2/)()()(2/)()()(2121iiiiiixVxVxMxVxVxS 平移法平移法測量分兩次進行，在第二次測量時，工件平移一個步測量分兩次進行，在第二次測量時，工件平移一個步距距S S，得到兩組數(shù)據(jù)，得到兩組數(shù)據(jù))()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV若機床和檢測裝置重復性好，可認為若機床和檢測裝置重復性好，可認為)()()(21iiixMxMxM 可得可得)()()()(211iiiixVxVxSxS 兩點法兩點法取步距取步距S S為兩測頭的間距進行測量，若將機床直線運動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部件的角運動誤差 忽略不計，則得到忽略不計，則得到)()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV)(ix 三點法三點法用間距為步距用間距為步距S S的三個測頭進行測量，則考慮機床直線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運動部件角運動誤差 ，得到，得到3 3組方程組方程)(ix 三點法三點法 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