數(shù)控機(jī)床精度控制與誤差補(bǔ)償

1、目錄第一章 緒論-1第二章 數(shù)控機(jī)床-22.1 數(shù)控機(jī)床概述-22.1.1 數(shù)控機(jī)床的工作原理-22.1.2 數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成-22.1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)-22.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類-22.2 多軸數(shù)控機(jī)床-3第三章 誤差分析-53.1 誤差源-53.2 誤差源分類-53.2.1 測(cè)量系統(tǒng)的誤差-53.2.2 控制系統(tǒng)誤差-53.2.3 刀具系統(tǒng)誤差-63.2.4 機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差-6第四章 精度控制-84.1 誤差建模-84.2 誤差檢定-94.2.1 誤差檢測(cè)-94.2.2 誤差辨識(shí)-9第五章 誤差防止-115.1 幾何誤差防止-115.2 熱變形誤差防止-115.3 伺服誤差防止-

2、125.4 振動(dòng)與環(huán)境誤差防止-135.5 檢側(cè)誤差防止-14第六章 誤差補(bǔ)償-15第七章 總結(jié)-18參考文獻(xiàn)-19數(shù)控機(jī)床精度控制與誤差補(bǔ)償分析第一章 緒論數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的誕生開創(chuàng)了控制和生產(chǎn)領(lǐng)域的新時(shí)代，給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。數(shù)控機(jī)床以自動(dòng)化程度高、柔性好、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代制造業(yè)特別是復(fù)雜零件加工中己得到廣泛應(yīng)用，并在迅速發(fā)展和普及。隨著經(jīng)濟(jì)全球化，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，用戶對(duì)產(chǎn)品提出了優(yōu)質(zhì)、可靠、安全、功能多樣化、結(jié)構(gòu)精細(xì)化的要求越來(lái)越嚴(yán)格，消費(fèi)者需求的個(gè)性化越來(lái)越迫切，迫使制造業(yè)能夠進(jìn)行多品種、小批量的柔性生產(chǎn)，制造業(yè)向精度更高、品種更多、批量更小、成本更低以

3、及周期更短的生產(chǎn)方向發(fā)展成為一種必然選擇，采用數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)的重要途徑。同時(shí)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與機(jī)械制造科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，為機(jī)械制造業(yè)適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)提供了重要的理論和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，為了滿足各種加工生產(chǎn)需要，人們把電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械加工行業(yè)，設(shè)計(jì)了各種數(shù)控機(jī)床，使數(shù)控機(jī)床得到了空前快速的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床己成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，也是柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、智能化制造系統(tǒng)(IMS)及工廠自動(dòng)化(FA)的基本組成單元。數(shù)控機(jī)床的合理設(shè)計(jì)與使用直接維系著產(chǎn)品質(zhì)量的高低，而衡量數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中性能優(yōu)劣的重

4、要指標(biāo)是數(shù)控機(jī)床的精度。數(shù)控機(jī)床精度通常指機(jī)床定位至程序目標(biāo)點(diǎn)的精確程度，通常是機(jī)床空載情況下在數(shù)控軸上對(duì)多目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行多回合測(cè)量后通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來(lái)的。數(shù)控機(jī)床的精度指標(biāo)主要包括加工精度、定位精度、重復(fù)定位精度和回轉(zhuǎn)軸精度等，其中加工精度是衡量數(shù)控機(jī)床工作性能的非常重要的精度指標(biāo)，而數(shù)控機(jī)床的加工精度受到機(jī)床結(jié)構(gòu)、裝配精度、伺服系統(tǒng)性能、工藝參數(shù)以及外界環(huán)境等因素的影響，隨著對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度要求不斷提高，如何使數(shù)控機(jī)床加工精度控制在所追求的目標(biāo)范圍內(nèi)，則是一個(gè)需要不斷研究的重要課題。數(shù)控機(jī)床的誤差是指機(jī)床按某種操作規(guī)程指令所產(chǎn)生的實(shí)際響應(yīng)與該操作規(guī)程所預(yù)期產(chǎn)生的響應(yīng)之間的差異。誤差產(chǎn)生的原

5、因主要是機(jī)床的幾何誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、溫度誤差和力學(xué)誤差,而其中占主導(dǎo)地位的是幾何誤差中具有重復(fù)性的部分。所以，對(duì)這類幾何誤差的測(cè)量、分析和補(bǔ)償就成為了研究機(jī)床誤差的工作重點(diǎn)。機(jī)床空間誤差補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)重要內(nèi)容是怎樣先將誤差分解到各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上，然后對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的指令位置進(jìn)行修正,且不影響數(shù)控軟件中位置環(huán)的控制周期。這就要求補(bǔ)償軟件的處理速度不能太慢,特別是對(duì)于高精高速的數(shù)控機(jī)床，補(bǔ)償處理的速度要求更高。因此，研究一種快速有效的空間誤差測(cè)量和補(bǔ)償方法，其意義十分重大。第二章 數(shù)控機(jī)床2.1 數(shù)控機(jī)床概述2.1.1 數(shù)控機(jī)床的工作原理：數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床,它是用數(shù)字信號(hào)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程。

6、具體地說(shuō),數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí),首先根據(jù)所需要加工的零件的形狀特征和所要求的尺寸來(lái)編制零件的數(shù)控程序,這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。通過(guò)使用MDI鍵盤、個(gè)人計(jì)算機(jī)、PC卡和手持文件盒等外部I/O設(shè)備,將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置,經(jīng)過(guò)進(jìn)行相應(yīng)的譯碼、運(yùn)算和邏輯信號(hào)處理后,發(fā)出指令,自動(dòng)控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、起停、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小,以及其他諸如刀具選擇交換、工件加緊松開和冷卻潤(rùn)滑的啟、停等輔助動(dòng)作,使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán)格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序路程和參數(shù)進(jìn)行精確的動(dòng)作,從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。2.1.2 數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成：數(shù)控機(jī)床一般由輸入/輸出設(shè)備、數(shù)控裝置(CN

7、C) 、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置(或稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)) 、可編程控制器( PLC)及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體及測(cè)量裝置組成。圖1為數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成。圖1 數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成2.1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)： 數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工過(guò)程，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動(dòng)作執(zhí)行的，它是一種高效能自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)床，與普通機(jī)床相比具有以下明顯特點(diǎn)：適合于復(fù)雜異形零件的加工，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，柔性好，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，有利于現(xiàn)代化管理，投資大使用費(fèi)用高，生產(chǎn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜，維修困難。2.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類：數(shù)控機(jī)床的品種很多，根據(jù)其加工、控制原理、功能和組成，可以從以下幾個(gè)不同的角度進(jìn)行分類。按

8、加工工藝可分為普通數(shù)控機(jī)床和加工中心，按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床、直線控制數(shù)控機(jī)床和輪廓控制數(shù)控機(jī)車，按控制方式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，按聯(lián)動(dòng)軸數(shù)可分為兩軸聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)。2.2 多軸數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床發(fā)展到今天，己經(jīng)形成了一個(gè)種類繁多的龐大體系，就是否擁有閉環(huán)約束而言，可以區(qū)分為帶閉環(huán)約束的并聯(lián)機(jī)床和無(wú)閉環(huán)約束的串聯(lián)機(jī)床，串聯(lián)機(jī)床因其控制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、應(yīng)用范圍廣，最早被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中，也是目前使用范圍最廣、擁有數(shù)量最多、門類最齊全的加工機(jī)械。串聯(lián)機(jī)床根據(jù)加工應(yīng)用的需要可以擁有數(shù)量不等的伺服軸，如單軸、二軸、三軸及三軸以上，通常把三軸以

9、上機(jī)床統(tǒng)稱為多軸機(jī)床。零件的機(jī)械加工是在機(jī)床上通過(guò)刀具與零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并構(gòu)成切削完成的，我們稱這類相對(duì)運(yùn)動(dòng)為成形運(yùn)動(dòng)，其形式和穩(wěn)定性決定了零件形狀和精度，而將參與完成形運(yùn)動(dòng)的機(jī)床部件總稱為成形系統(tǒng)，刀具上直接參與切削的點(diǎn)稱為成形點(diǎn)，成形點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中坐標(biāo)的形式稱為刀具軌跡。另外，刀具姿態(tài)在機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)中也可能發(fā)生變化，固定在刀具上的矢量在工件坐標(biāo)系中坐標(biāo)的形式稱為刀具姿態(tài)軌跡。成形運(yùn)動(dòng)有理想運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)之分，因此刀具軌跡也有理想刀具軌跡和實(shí)際刀具軌跡之分。多軸數(shù)控機(jī)床中成形系統(tǒng)共有工作臺(tái)定位、平動(dòng)進(jìn)給軸及轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給軸、主軸單元、裝夾和床身等部件組成。如，對(duì)于三軸數(shù)控機(jī)床，成形系統(tǒng)共有工作臺(tái)定

10、位、X軸平動(dòng)、Y軸平動(dòng)、Z軸平動(dòng)、主軸單元、裝夾和床身等7個(gè)部件。根據(jù)多軸數(shù)控機(jī)床主軸方向的不同可以分為立式和臥式兩大類，還可以根據(jù)多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行進(jìn)一步分類。根據(jù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的區(qū)別，三軸立式機(jī)床分為FXYZ型、XFYZ型、XYFZ型和XYZF型；三軸臥式機(jī)床又分為FXZY型、XFZY型、XZFY型和XZYF型。其中F前面的字母表示工件分支相對(duì)機(jī)床床身的平動(dòng)方向，F(xiàn)后面字母表示刀具分支相對(duì)機(jī)床床身的平動(dòng)方向，如XFYZ中F前的X表示工件所在的工作臺(tái)相對(duì)機(jī)床床身可做沿X軸方向的平移運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)后的Y、Z表示刀具所在的主軸箱相對(duì)機(jī)床床身可做沿Y軸和Z軸

11、方向的平移運(yùn)動(dòng)。又如，帶單個(gè)回轉(zhuǎn)軸的四軸數(shù)控機(jī)床和帶兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸的五軸數(shù)控機(jī)床是在三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上疊加一個(gè)或兩個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)發(fā)展起來(lái)的，并一般把回轉(zhuǎn)軸安裝在三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床平動(dòng)鏈的前后。根據(jù)回轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的關(guān)聯(lián)關(guān)系，四軸數(shù)控機(jī)床可以分為TTTR型、RTTT型；五軸數(shù)控機(jī)床可以分為RRTTT型、RTTTR型和TTTRR型。其中T表示平動(dòng)軸，因此TTT代表上述任意三軸機(jī)床；R表示回轉(zhuǎn)軸，可以繞X軸回轉(zhuǎn)，也可以繞Y軸或Z軸回轉(zhuǎn)。因此還可以根據(jù)T和R所代表的坐標(biāo)軸的不同進(jìn)一步細(xì)分。多軸數(shù)控機(jī)床通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件型面的加工，成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)。為了適應(yīng)日益復(fù)雜的工件型面加工要求，多軸數(shù)控機(jī)

12、床己由最初的兩軸聯(lián)動(dòng)發(fā)展到五軸以上聯(lián)動(dòng)。但是由于多軸數(shù)控機(jī)床隨著聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的增加，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和成形運(yùn)動(dòng)過(guò)程隨之復(fù)雜，影響機(jī)床加工精度的因素及其復(fù)雜性也相應(yīng)增加，如何保障和提高加工精度是一個(gè)需要深入研究的重大課題?，F(xiàn)在的多軸數(shù)控機(jī)床，為了保證和提高多軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格性，從機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)看，機(jī)床成形系統(tǒng)某單元相對(duì)于前面的單元，其運(yùn)動(dòng)通常只有一個(gè)自由度的直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其余自由度都受到了約束，而提高成形運(yùn)動(dòng)的靈活性方法通常是增加運(yùn)動(dòng)單元數(shù)目和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床特別是五軸及五軸以上聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)大型與異型復(fù)雜零件的高效高質(zhì)量加工的重要手段，代表著一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最

13、高水平。而精密、超精密多軸數(shù)控機(jī)床是進(jìn)行精密、超精密復(fù)雜零件表面加工的必要手段，與其他它精密、超精密加工技術(shù)并列成為當(dāng)前制造技術(shù)學(xué)科的重要分支，是一個(gè)國(guó)家精密制造能力強(qiáng)弱、制造水平高低以及科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，成為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。隨著微電子、電力電子、航空航天等尖端科學(xué)技術(shù)的興起，對(duì)精密、超精密產(chǎn)品、零件產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求，更加速了機(jī)械加工技術(shù)的精密、超精密加工技術(shù)的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床技術(shù)的迅速進(jìn)步大大推進(jìn)了精密、超精密加工技術(shù)的發(fā)展，使加工精度提高到了一個(gè)新的臺(tái)階。當(dāng)前，精密加工的加工精度達(dá)到了l-0.1m、表面粗糙度達(dá)到了0.1-0.025m，超精密加工的加工精度已高于0.1m

14、、表面粗糙度已小于0.025m，而超精密切削加工己達(dá)到尺寸精度為0.01-0.001m，表面粗糙度Ra0.001-0.004m的水平，標(biāo)志著超精密加工己進(jìn)入納米級(jí)精度階段，而這些成就的取得在相當(dāng)程度上得益于數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展。第三章 誤差分析3.1 誤差源 數(shù)控機(jī)床加工精度受到機(jī)械、電氣、工件材料、加工工藝以及環(huán)境等諸多因素的影響，靠單一的精度控制方法不能或很難保證數(shù)控機(jī)床的加工精度，為此人們研究了多種精度控制理論和方法來(lái)提高數(shù)控機(jī)床的精度。一般而言，數(shù)控機(jī)床的加工誤差來(lái)源于以下幾個(gè)方面：機(jī)床的零部件和結(jié)構(gòu)在制造和裝配時(shí)產(chǎn)生的幾何誤差，包括零件尺寸誤差和裝配誤差；機(jī)床內(nèi)、外部熱源引起的熱變形誤

15、差；機(jī)床自重、切削力變形及由于動(dòng)剛度不足產(chǎn)生的振動(dòng)誤差；機(jī)床軸系伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的伺服跟隨誤差；數(shù)控插補(bǔ)算法產(chǎn)生的插補(bǔ)誤差；其它誤差，如外界振動(dòng)、濕度、氣流變化等產(chǎn)生環(huán)境誤差以及檢測(cè)系統(tǒng)中產(chǎn)生的檢測(cè)誤差等。影響加工精度(其由刀具相對(duì)于工件的最終位置精度決定)的因素很多，主要包括：機(jī)床結(jié)構(gòu)的幾何誤差(部件的加工誤差和裝配誤差)、熱特性、主軸誤差、刀具磨損、靜承載和工件夾具。根據(jù)誤差的表現(xiàn)形式，機(jī)器誤差通常分為兩大類：確定性誤差(可表達(dá)與不可表達(dá))和隨機(jī)性誤差(相關(guān)與非相關(guān))。3.2 誤差源分類如將數(shù)控機(jī)床視為一個(gè)系統(tǒng),各組成部分按功能劃分，則影響機(jī)床加工精度的誤差源為：3.2.1 測(cè)量系統(tǒng)的誤差 影

16、響測(cè)量系統(tǒng)誤差的主要因素有以下三個(gè)： (1)測(cè)量基準(zhǔn)的誤差和測(cè)量裝置安裝的傾斜、自重變形等引起的誤差； (2)測(cè)量尺安裝的阿貝(Abbe)誤差。當(dāng)被測(cè)對(duì)象在測(cè)量中和測(cè)量尺在同一軸線時(shí)，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，這就是阿貝提出的測(cè)量原則。但在加工過(guò)程中運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，除少數(shù)測(cè)量?jī)x器如千分尺外，很難將測(cè)量尺布置得與工件被測(cè)尺寸在同一軸線上； (3)測(cè)量線路誤差。在測(cè)量線路中，外界磁場(chǎng)的干擾、溫升和元件性能以及震蕩頻率的變化等都會(huì)引起測(cè)量誤差。在半閉環(huán)的數(shù)控伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)器如旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器本身也會(huì)產(chǎn)生誤差。3.2.2 控制系統(tǒng)誤差 在數(shù)控機(jī)床中，控制系統(tǒng)包括從編程

17、到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分配、計(jì)數(shù)和比較，用以驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)。這種控制系統(tǒng)的誤差主要反映其穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能，其中有系統(tǒng)的不靈敏度、零點(diǎn)飄移和穩(wěn)態(tài)誤差等。 系統(tǒng)的不靈敏度反映在輸出脈沖的增加或丟失，這種現(xiàn)象將使工作臺(tái)少移動(dòng)或多移動(dòng)了指令要求的位移量，形成定位誤差。系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移是指系統(tǒng)輸入穩(wěn)定而輸出呈現(xiàn)出波動(dòng)現(xiàn)象，引起機(jī)床工作臺(tái)位移的變化。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)有輸入信號(hào)以后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的誤差。這在輪廓加工的控制系統(tǒng)中尤為重要。在閉環(huán)系統(tǒng)中，輸入信號(hào)與測(cè)量信號(hào)反饋到比較環(huán)節(jié)中進(jìn)行比較，當(dāng)存在有信號(hào)差時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)信號(hào)差小到低于系統(tǒng)靈敏度時(shí)，系統(tǒng)即停止運(yùn)動(dòng)。在這些系統(tǒng)中，這種跟蹤誤

18、差對(duì)定位過(guò)程是不起作用的，但對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的輪廓加工則會(huì)產(chǎn)生誤差。3.2.3 刀具系統(tǒng)誤差刀具系統(tǒng)給加工帶來(lái)的誤差由刀具磨損、刀具的熱伸長(zhǎng)、換刀安裝的對(duì)中誤差和刀具的彈性變形等。3.2.4 機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的誤差即為幾何誤差，包括機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀和相互位置誤差。在機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造和裝配過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的殘余不規(guī)則性，造成機(jī)床的系統(tǒng)誤差。這種誤差我們稱之為幾何誤差，是由位置傳感器的非線性、機(jī)器零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的非正交性和測(cè)量過(guò)程中每個(gè)機(jī)器零件運(yùn)動(dòng)的非直線性引起的。而由于振動(dòng)、測(cè)量系統(tǒng)和反向誤差引起的定位不重復(fù)性則可視為機(jī)床的隨機(jī)誤差。機(jī)床的主要組成部件為導(dǎo)軌及溜板(工作臺(tái))，它們的誤

19、差是機(jī)床準(zhǔn)靜態(tài)誤差的主要誤差源，其中以導(dǎo)軌的形位誤差對(duì)定位精度的影響較大。在定義這些誤差時(shí)，我們總是假定各部件為剛體。(1)導(dǎo)軌精度通常稱物體在空間運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度，是指物體的任何運(yùn)動(dòng)都可分解為沿空間坐標(biāo)系三個(gè)方向的移動(dòng)和繞三個(gè)移動(dòng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)軌的功用就在于控制運(yùn)動(dòng)部件的五個(gè)自由度，僅容許沿需要的方向運(yùn)動(dòng)，且要保證溜板或工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向精度。這包含兩方面的意義：首先是溜板的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離理想直線的程度，這取決于導(dǎo)軌的直線度，為了測(cè)量方便，分別是在垂直平面內(nèi)和水平面內(nèi)分別加以控制；其次是溜板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傾斜，這取決于兩根導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的平行度。所以，不論導(dǎo)軌的組合屬于何種形式，其基本精度都是

20、指以下三項(xiàng)：垂直平面內(nèi)的直線度；水平面內(nèi)的直線度；垂直平面內(nèi)的平行度(又稱扭曲度)。其中，垂直平面內(nèi)的直線度是為控制溜板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的高低起伏，它的作用除保證溜板運(yùn)動(dòng)的方向精度外，還為保證溜板與導(dǎo)軌的良好接觸。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度，會(huì)直接影響所加工零件的幾何精度，對(duì)于如車床等加工圓柱形零件的機(jī)床，其影響的程度遠(yuǎn)超過(guò)垂直平面內(nèi)的直線度誤差。扭曲度會(huì)影響溜板與導(dǎo)軌之間的良好接觸，對(duì)所加工零件的幾何精度也有直接影響。 (2)溜板(工作臺(tái))運(yùn)動(dòng)精度溜板運(yùn)動(dòng)的精度控制主要是指要控制溜板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傾斜，即溜板繞空間三根坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)。故傾斜有三項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)軌的三項(xiàng)基本精度，現(xiàn)分別分析如下：溜板繞縱軸(

21、x軸)的傾斜：一般稱其為滾轉(zhuǎn)角，床身兩根導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)平行度誤差的反映，也就是通常所說(shuō)的扭曲度，即當(dāng)前進(jìn)方向上兩側(cè)的導(dǎo)軌不等高時(shí)，部件就會(huì)繞前進(jìn)方向的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)； 溜板繞橫軸(y軸)的傾斜：一般稱其為俯仰角，此項(xiàng)傾斜是床身導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)直線度誤差的反映，即當(dāng)機(jī)床的導(dǎo)軌面在其前進(jìn)方向上不平時(shí)，將引起工作臺(tái)的顛擺； 溜板繞立軸(z軸)的傾斜：一般稱其為偏擺角，此項(xiàng)誤差是床身導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差的反映，即當(dāng)兩導(dǎo)軌不平行時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件將在導(dǎo)軌面的垂直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。 (3)部件移動(dòng)相互間垂直度誤差機(jī)床部件可能包含相互垂直的三個(gè)方向上的移動(dòng)-垂直方向、縱向和橫向。部件移動(dòng)方向之間的垂直度誤差，決定于導(dǎo)軌

22、面之間的垂直度誤差。當(dāng)導(dǎo)軌面與底面不垂直時(shí)，主軸上下移動(dòng)一段距離后，主軸在工件上的定位誤差為。 (4)加工過(guò)程中的熱誤差加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱，使得機(jī)床各部件的溫度發(fā)生變化，由于各部件的溫度變化規(guī)律和速率不同，以及同一部件上各點(diǎn)的溫度變化不均勻，使得部件產(chǎn)生變形，最終造成刀具與工件的相對(duì)位置發(fā)生改變，其結(jié)果表現(xiàn)為各坐標(biāo)軸出現(xiàn)附加位移，故可將這類誤差歸于幾何誤差類。據(jù)此，幾何誤差模型同樣適用于熱誤差的描述。第四章 精度控制數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)膬身?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)-誤差建模及誤差檢定。4.1 誤差建模誤差建模(又稱精度建模)，是建立精度控制的優(yōu)化模型，分為誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和誤差辨識(shí)建模。誤差辨識(shí)建模屬于誤差檢定的

23、范疇，下面另有敘述。在機(jī)械加工中，機(jī)床加工精度最終是由機(jī)床上刀具與工件之間的相對(duì)位移決定的。機(jī)床誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)建模也稱機(jī)床精度建模，是對(duì)與機(jī)床上每一運(yùn)動(dòng)副有關(guān)的誤差成分，使用合成方法來(lái)計(jì)算刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。在機(jī)床誤差和零件誤差之間并不存在一種可使互相轉(zhuǎn)化的量化的方法，只能盡可能精確地建立起由機(jī)床誤差計(jì)算零件精度的模型，因此至今尚未建立起完全理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，也給機(jī)床精度建模研究提供了廣闊的空間。誤差補(bǔ)償就是在加工過(guò)程中，補(bǔ)償系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床精度模型和實(shí)時(shí)反饋(如溫度、位置、切削力等)預(yù)報(bào)機(jī)床的最終誤差，并實(shí)時(shí)補(bǔ)償該誤差。誤差補(bǔ)償技術(shù)最初只針對(duì)機(jī)床單項(xiàng)誤差源(如主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌直線度等)

24、進(jìn)行改進(jìn)，并不需要機(jī)床精度數(shù)學(xué)模型，這對(duì)于機(jī)床加工某些簡(jiǎn)單零件時(shí)實(shí)行誤差補(bǔ)償是可行的。隨著機(jī)床結(jié)構(gòu)和零件加工型面的復(fù)雜化，機(jī)床運(yùn)動(dòng)副的誤差通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳遞作用于刀具和零件的相對(duì)位置關(guān)系中，而這種誤差傳遞一般不是等價(jià)傳遞的，必須建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來(lái)描述這種誤差傳遞關(guān)系，因而正確的數(shù)控機(jī)床精度模型是進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。另外，數(shù)控機(jī)床精度模型也給機(jī)床精度分析、精度分配、精度評(píng)定、誤差檢測(cè)與辨識(shí)帶來(lái)了方便。研究數(shù)控機(jī)床的加工精度，基礎(chǔ)的問(wèn)題是全面充分地分析的數(shù)控機(jī)床成形系統(tǒng)的各項(xiàng)誤差源，研究產(chǎn)生誤差的原因、分布性質(zhì)、傳遞函數(shù)和誤差合成計(jì)算模型。到目前為止，數(shù)控機(jī)床精度建模和誤差補(bǔ)償以靜態(tài)誤差和準(zhǔn)靜態(tài)誤差為

25、主，對(duì)于動(dòng)態(tài)誤差如主軸回轉(zhuǎn)誤差、機(jī)床位置伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差一般不作考慮，這在普通及精密數(shù)控機(jī)床中是允許的。對(duì)于超精密機(jī)床，靜態(tài)誤差往往不是主要矛盾，對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的分析與建模，并進(jìn)行補(bǔ)償就顯得格外重要。尤其是當(dāng)機(jī)床的精度要求很高，而位置伺服系統(tǒng)性能較差，精度受系統(tǒng)非線性因素影響較大時(shí)，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施，可以有效地彌補(bǔ)位置伺服系統(tǒng)性能的不足，提高機(jī)床精度。同時(shí)，這些機(jī)床精度模型為進(jìn)行機(jī)床精度分析和運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)、補(bǔ)償提供了一定的基礎(chǔ)，但是由于存在適用范圍小、沒有通用性以及易產(chǎn)生人為推導(dǎo)誤差等問(wèn)題，未能從根本上解決機(jī)床誤差建模的通用性問(wèn)題。對(duì)高柔性、高精度和高自動(dòng)化的機(jī)械加工設(shè)備和系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤

26、差分析、建模和補(bǔ)償研究，快速、準(zhǔn)確地建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差模型，是解決復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差分析和補(bǔ)償問(wèn)題的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)軟件誤差補(bǔ)償?shù)氖滓蝿?wù)。雖然數(shù)控機(jī)床精度建模是進(jìn)行數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、精度分析與設(shè)計(jì)、誤差控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的關(guān)注和研究伴隨著機(jī)床發(fā)展和應(yīng)用研究的整個(gè)歷程，涌現(xiàn)了多種不同的建模方法，但是迄今為止尚未有一種規(guī)范性、系統(tǒng)性、通用性和完整性的建模理論，建模工作需要針對(duì)具體機(jī)床采用不同的方法進(jìn)行，不僅增加了機(jī)床精度建模的人力、物力浪費(fèi)，而且限制了精度建模理論的應(yīng)用效果。近年來(lái)針對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的有誤差運(yùn)動(dòng)，發(fā)展起來(lái)了一種多體系統(tǒng)理論。由于多體系統(tǒng)理論對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)

27、較強(qiáng)的概括能力和特有的系統(tǒng)描述方式，可全面考慮影響系統(tǒng)的各項(xiàng)因素及相互禍合關(guān)系，因而廣泛適用于復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差建模。由工作臺(tái)、滑座、床身、立柱、主軸箱、夾具、刀架、刀具或及回轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成的各種機(jī)床，本質(zhì)上就是一個(gè)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，因此非常適合采用多體系統(tǒng)理論進(jìn)行研究，并且基于多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論對(duì)機(jī)床精度建模，建模過(guò)程具有程式化、規(guī)范化、假設(shè)條件少、通用性好、便于計(jì)算機(jī)快速建模等諸多優(yōu)點(diǎn)。4.2 誤差檢定誤差檢定包括誤差檢測(cè)和誤差辨識(shí)。為了對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差進(jìn)行全面準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和補(bǔ)償或全面準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)床性能，必須知道機(jī)床的所有誤差元素在各種條件下、各種環(huán)境下以及在各個(gè)時(shí)刻的值，這遠(yuǎn)非一件易事。誤差檢

28、測(cè)與辨識(shí)不僅是誤差評(píng)定的基礎(chǔ)，是機(jī)床精度評(píng)定工作的重要內(nèi)容，而且是進(jìn)行機(jī)床精度預(yù)報(bào)和誤差補(bǔ)償?shù)挠忠魂P(guān)鍵技術(shù)。4.2.1 誤差檢測(cè)誤差檢測(cè)是用合適的誤差測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量出所要檢定的誤差成分，它有單項(xiàng)誤差檢測(cè)和綜合誤差檢測(cè)之分。誤差檢測(cè)不需要誤差辨識(shí)模型，因此最可靠、最直觀，也最便于應(yīng)用。一般情況下，機(jī)床單項(xiàng)幾何誤差的檢測(cè)不是很困難，可以使用諸如激光干涉儀、機(jī)械方法或其它光學(xué)方法，進(jìn)行高精度測(cè)量，但是機(jī)床熱變形誤差、彈性變形誤差以及振動(dòng)誤差等由于多種因素的復(fù)雜影響，以及測(cè)量?jī)x器研制、安裝、性能等方面的制約，直接檢測(cè)要困難得多，例如機(jī)床熱變形誤差就受到加工周期、冷卻液的使用、零部件熱特性以及周圍環(huán)境

29、等諸多因素的復(fù)雜影響，因此這類誤差往往多采用間接估計(jì)的方法。在機(jī)床綜合性能評(píng)價(jià)或綜合誤差補(bǔ)償中，有時(shí)需要或只需要進(jìn)行綜合誤差檢測(cè)，另外，綜合誤差檢測(cè)也是辨識(shí)機(jī)床原始誤差的一個(gè)重要途徑，因此綜合誤差檢測(cè)誤差占有顯著的地位。近些年來(lái)，機(jī)床綜合誤差檢測(cè)的研究主要集中在研制新型機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)儀上，并取得了很大突破，用于機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)的常用儀器己形成了系列。早期形成的基準(zhǔn)棒-單向微位移法可以用微位移計(jì)來(lái)測(cè)定裝夾在主軸上的圓柱型基準(zhǔn)棒與設(shè)置在雙向工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸上參考點(diǎn)距離的變化。4.2.2 誤差辨識(shí)誤差辨識(shí)即是誤差間接估計(jì)，就是首先用儀器測(cè)量出與所要辨識(shí)檢定的誤差成分相關(guān)聯(lián)的中間量，然后通過(guò)精確、有效的

30、誤差辨識(shí)數(shù)學(xué)模型估計(jì)出要檢定的誤差成分。因此誤差辨識(shí)要求測(cè)量出的中間量具有可溯性，既能夠找到由之得到所要檢定的誤差的有效求解方法。雖然單項(xiàng)誤差直接檢測(cè)精確、簡(jiǎn)單明了，但需要測(cè)量?jī)x器多、有時(shí)更耗時(shí)，甚至不可能。在工程中，有許多誤差參數(shù)難以進(jìn)行直接檢測(cè)，通過(guò)對(duì)其它可測(cè)參數(shù)的檢測(cè)來(lái)間接估計(jì)所關(guān)注的誤差是一種不可或缺的方法，因此誤差辨識(shí)在機(jī)床誤差檢定中占有重要的地位。目前，機(jī)床的熱誤差、力變形誤差等就常采用間接估計(jì)方法來(lái)獲取。機(jī)床誤差間接估計(jì)可分為兩種途徑:一種是最終誤差(往往是綜合誤差)溯源，另一種是誤差映射。通過(guò)對(duì)機(jī)床最終綜合誤差的檢測(cè)進(jìn)行誤差溯源是間接估計(jì)機(jī)床單項(xiàng)誤差的重要途徑之一。雖然誤差辨識(shí)

31、提供了一種快速和有效估計(jì)機(jī)床單項(xiàng)誤差分量的方法，但是此時(shí)建立起能精確辨識(shí)原始誤差的誤差辨識(shí)模型則成為一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。機(jī)床誤差間接估計(jì)通常需要建立合適的誤差辨識(shí)模型，因此為了用誤差辨識(shí)方法精確鑒定出機(jī)床原始誤差，需要解決好檢測(cè)參數(shù)及其檢測(cè)儀器和誤差辨識(shí)建模兩大課題。誤差辨識(shí)法研究的另一成果是基于一維球列法、球板法和雙頻激光干涉測(cè)量?jī)x，對(duì)機(jī)床工作區(qū)特定方向或區(qū)域的部分綜合誤差進(jìn)行檢測(cè)，開發(fā)了多種通過(guò)精確、簡(jiǎn)便、有效的數(shù)學(xué)模型來(lái)溯源機(jī)床各單項(xiàng)誤差的誤差辨識(shí)方法。這類方法由于誤差辨識(shí)精度高、速度快、簡(jiǎn)便實(shí)用，受到了廣泛歡迎。一維球列法和球板法分別一組和多組球度誤差很小的球排列而成，測(cè)量操作簡(jiǎn)單，誤差溯

32、源計(jì)算量少，已在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差評(píng)定和補(bǔ)償中得到了很好應(yīng)用。雙頻激光干涉儀是一種高精度的測(cè)量?jī)x，廣泛用于精密、超精密機(jī)床誤差檢測(cè)。圍繞在機(jī)床誤差檢測(cè)中如何更好地應(yīng)用雙頻激光干涉測(cè)量?jī)x，開發(fā)了22線法、15線法、14線法、9線法等多種位移法。位移法的基本思想是通過(guò)測(cè)量工作區(qū)內(nèi)空間直線方向上的空間位移誤差，運(yùn)用適當(dāng)?shù)恼`差分離技術(shù)來(lái)辨識(shí)機(jī)床各單項(xiàng)誤差。位移法的最大特點(diǎn)是將誤差直接測(cè)量和誤差分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)不同類型的誤差采用不同的辨識(shí)方法，從而達(dá)到用最少的測(cè)量線數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度、快速辨識(shí)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的全部幾何誤差的目的。但是上述位移法仍存在一些可改進(jìn)的不足，如22線法測(cè)量多，對(duì)點(diǎn)數(shù)有嚴(yán)格要求，

33、要采用循環(huán)求解或遍歷求解方法，存在嚴(yán)重的誤差傳遞性，且采用了假設(shè)誤差值總和為零的不規(guī)范條件。間接估計(jì)是機(jī)床熱誤差辨識(shí)的主要方法。機(jī)床熱誤差往往是溫度和位置的非線性函數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅靼惭b位置是機(jī)床熱誤差辨識(shí)的關(guān)鍵。目前在幾乎所有的熱誤差辨識(shí)系統(tǒng)中，溫度傳感器安裝位置是憑經(jīng)驗(yàn)和試湊來(lái)確定的。經(jīng)驗(yàn)法不能保證溫度傳感器安裝位置的科學(xué)性，試湊法雖然只能增加一定程度上的準(zhǔn)確性，還會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和溫度傳感器的數(shù)量。因此溫度傳感器在機(jī)床上安裝位置是熱誤差辨識(shí)的主要障礙。目前，機(jī)床熱誤差辨識(shí)建模方法己出現(xiàn)多種，如由于受非線性因素制約，幾乎所有的文獻(xiàn)都使用高階多項(xiàng)式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型的輸入為在機(jī)床不同

34、位置適當(dāng)布置的熱傳感器，輸出為模型預(yù)測(cè)的熱變形。為了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性，模型的訓(xùn)練需要在盡量寬的工況下進(jìn)行。第五章 誤差防止為了提高數(shù)控機(jī)床加工精度，可以采用誤差防止和誤差補(bǔ)償兩種措施。誤差防止是通過(guò)合理的機(jī)床設(shè)計(jì)、零件加工、機(jī)床裝配、環(huán)境控制和使用來(lái)消除或減少可能的誤差源。該方法從機(jī)床設(shè)計(jì)制造各階段開始，采取精化措施，提高設(shè)計(jì)精度，優(yōu)化機(jī)床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置，減少機(jī)床自身的各種誤差和表現(xiàn)誤差。誤差防止是保障數(shù)控機(jī)床加工精度最根本、最有效的手段。數(shù)控機(jī)床的幾何誤差來(lái)源機(jī)床零部件的形狀誤差和裝配誤差，因此在機(jī)床加工和裝配階段，必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚪椒百|(zhì)量控制措施，以減少機(jī)床幾何誤差。另一方面，加工過(guò)程

35、中切削力變形和熱變形等與機(jī)械結(jié)構(gòu)存在密切的聯(lián)系，因此在數(shù)控機(jī)床特別是精密、超精密數(shù)控機(jī)床制造過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重視數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度和傳熱特性，以減少機(jī)床熱變形誤差和振動(dòng)誤差，此外，在加工過(guò)程中熱變形等與環(huán)境因素有著密切的關(guān)系，高穩(wěn)定性的加工環(huán)境是保證加工精度的重要因素，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床特別是精密、超精密數(shù)控機(jī)床的工作環(huán)境須采取適當(dāng)?shù)沫h(huán)境保障措施。數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床增加了伺服誤差和插補(bǔ)誤差，因此在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)采取合理的伺服控制和插補(bǔ)計(jì)算方法，以減少伺服誤差和插補(bǔ)誤差。5.1 幾何誤差防止機(jī)床幾何誤差的研究伴隨著機(jī)床產(chǎn)生和發(fā)展的全過(guò)程，因此已有了相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。實(shí)際上，在機(jī)床發(fā)展的初始階段，提高

36、加工精度的主要方法就是通過(guò)提高機(jī)床自身的幾何精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)床各零部件的幾何誤差最終均將反映在被加工工件的加工誤差上，因此機(jī)床每一個(gè)零部件的幾何誤差都是關(guān)注的對(duì)象。防止和減少機(jī)床各零部件在制造和安裝過(guò)程中的幾何誤差的措施主要是改進(jìn)工藝和采用新材料。就幾何誤差而言，在機(jī)床各零部件中，其中構(gòu)成機(jī)床的關(guān)鍵部件-主軸和導(dǎo)軌，其幾何精度的高低對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度起著決定性影響，因此為了提高數(shù)控機(jī)床的精度，許多國(guó)家投入了大量的人力、物力用于研究和開發(fā)高精度的主軸軸系和導(dǎo)軌。近年來(lái)，一方面，隨著滾動(dòng)軸承、液體靜壓軸承、液體動(dòng)壓軸承、氣體靜壓軸承以及磁浮軸承的成功研制和應(yīng)用，機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度得到了大幅度提高，

37、回轉(zhuǎn)誤差不超過(guò)0.01m；另一方面，隨著新型滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌的成功研制和應(yīng)用，使機(jī)床導(dǎo)軌的直線度誤差小于0.05m /1000mm，進(jìn)而大大提高數(shù)控機(jī)床的精度，為進(jìn)行精密、超精密加工提供了極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。5.2 熱變形誤差防止熱變形誤差產(chǎn)生的過(guò)程為：發(fā)熱部產(chǎn)生熱量，熱量通過(guò)接觸面向周圍傳遞，最終導(dǎo)致機(jī)床關(guān)鍵部件變形，從而產(chǎn)生誤差。與之相對(duì)應(yīng)，防止和減少熱變形誤差的方法有三種：降低熱源；控制熱流；熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在精密、超精密加工領(lǐng)域，機(jī)床幾何精度己經(jīng)很高，此時(shí)的熱變形誤差成為影響機(jī)床加工精度的最主要因素之一，降低熱變形誤差則是提高加工精度的最好方法。這需要對(duì)環(huán)

38、境條件如溫度、濕度等進(jìn)行嚴(yán)格的控制。必要時(shí)可采用空氣靜壓軸承或磁浮軸承，以減少摩擦和由此產(chǎn)生的熱量。機(jī)床主軸單元功率大、發(fā)熱嚴(yán)重，且其徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)均直接反映在加工工件上，必須采用冷卻措施使其溫度不致大范圍變化。熱流控制有被動(dòng)熱流控制和主動(dòng)熱流控制之分。被動(dòng)熱流控制是將絕熱物插入機(jī)床主要結(jié)構(gòu)中(如機(jī)身、頭架等)，以控制熱流，試圖使每一單元熱變形均勻。在被動(dòng)熱流控制中，絕熱物不僅阻礙了熱流，而且也形成了很好的溫度場(chǎng)。適當(dāng)?shù)匕惭b絕熱物，可以是機(jī)床溫度場(chǎng)和熱流敏感性得到改善。主動(dòng)熱流控制使用外部熱源來(lái)改善機(jī)床的熱變形，一方面使不對(duì)稱溫度分布化為對(duì)成分布，從而降低機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱變形；另一方面也大大減

39、少了精密機(jī)床的預(yù)熱時(shí)間。熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)改變機(jī)床結(jié)構(gòu)和熱源設(shè)計(jì)一來(lái)消除熱的影響。對(duì)機(jī)床熱性能機(jī)理的研究及基于此提出的各種熱變形理論為在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化機(jī)床的熱特性提供了理論支撐。但是，由于熱變形誤差受電機(jī)和運(yùn)動(dòng)副所產(chǎn)生的熱量以及切削力、環(huán)境溫度、冷卻系統(tǒng)等諸多因素的影響，并且與機(jī)床各部分的熱特性有關(guān)，使得熱變形情況極為復(fù)雜以及機(jī)床連接處熱源和邊界條件存在很大的不確定性，從而進(jìn)行熱變形誤差理論計(jì)算時(shí)，導(dǎo)致了計(jì)算的熱變形結(jié)果與實(shí)際情況往往有明顯的差異，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行考核，使一些在實(shí)驗(yàn)室可行的方案難以用于生產(chǎn)實(shí)踐。目前尚缺乏一種精確的熱變形誤差計(jì)算方法，相關(guān)研究還需進(jìn)一步深入。5.3 伺服

40、誤差防止伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)良直接影響著機(jī)床的定位精度、加工精度和位移速度。伺服系統(tǒng)的誤差是數(shù)控機(jī)床的主要誤差源之一。由于數(shù)控機(jī)床伺服軸的運(yùn)動(dòng)不是人工控制，而是通過(guò)伺服電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，而伺服電機(jī)則由數(shù)控加工程序指令來(lái)控制，因此伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特性復(fù)雜，導(dǎo)致伺服誤差的復(fù)雜變化。在多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過(guò)程中，伺服系統(tǒng)處于非常頻繁的加減速狀態(tài)，使伺服誤差發(fā)生更為復(fù)雜的變化，最終影響到工件的加工誤差，伺服誤差變化的復(fù)雜性更增加對(duì)其控制的難度。在數(shù)控機(jī)床加工控制中，各軸伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤指令的能力起著非常關(guān)鍵的作用。隨著高精度、高速度加工的日益發(fā)展，

41、對(duì)各軸伺服系統(tǒng)的跟蹤性能提出更為嚴(yán)格的要求，特別是在當(dāng)今超精密中，對(duì)各軸伺服系統(tǒng)性能的要求到了極為苛刻的程度，靠常規(guī)控制方法已及難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于多軸數(shù)控加工，任意伺服軸的運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差或故障會(huì)引起整個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化，產(chǎn)生輪廓加工誤差，因此各軸伺服系統(tǒng)不但要有很高的位置跟蹤能力，還要有極高的可靠性和穩(wěn)定性。目前伺服誤差控制研究的側(cè)重點(diǎn)分為單軸伺服系統(tǒng)性能和多軸伺服系統(tǒng)綜合性能的改善和提高兩方面，伴隨著產(chǎn)生開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種不同方法：(1)開環(huán)控制方法：開環(huán)控制的加工精度由機(jī)床零部件的精度來(lái)保證，采用直線度非常理想的導(dǎo)軌(如液體靜壓導(dǎo)軌、氣體靜壓導(dǎo)軌等)，更高回轉(zhuǎn)精度的主軸(如液體靜壓主軸、氣體靜

42、壓主軸等)，高性能的電機(jī)(如Dynasery電機(jī)，其最小輸出脈沖可達(dá)2.53角秒)，以及各種精密驅(qū)動(dòng)方式(如滾珠絲杠、靜壓絲杠、摩擦驅(qū)動(dòng)、直線驅(qū)動(dòng)等)，提高機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度。根據(jù)開環(huán)方法設(shè)計(jì)的機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如果加工過(guò)程的狀態(tài)可以事先預(yù)知，并可以用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟ_(dá)到，則反饋是多余的，所以可以采用開環(huán)結(jié)構(gòu)。這種單純依靠提高機(jī)床零部件的性能來(lái)提高機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度的方法適用于輕載、負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)控制，在精密加工中也可采用。但是，由于機(jī)械系統(tǒng)中普遍存在摩擦和間隙，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，反向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生反程差。為了提高位置精度，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)還需要足夠的聯(lián)接剛度以克

43、服彈性變形。要克服這些非線性因素的影響，開環(huán)方法是以更高的成本為代價(jià)的，更高精度意味著更高的成本。另外開環(huán)控制易受機(jī)械變形、磨損、溫度變化、振動(dòng)及其它因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以調(diào)整，對(duì)傳動(dòng)部件精度、性能穩(wěn)定性及使用過(guò)程的溫差變化需要有很好的保障措施。(2)閉環(huán)控制方法：閉環(huán)控制有分為全閉環(huán)控制方法和半閉環(huán)控制方法。全閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)具有一致的結(jié)構(gòu)，二者差異只是位置信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)有所不同，前者的位置信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)是最終運(yùn)動(dòng)部件(機(jī)床工作臺(tái)或刀架)，檢測(cè)信號(hào)的是最終運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，而后者的位置檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)是坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈中的某處機(jī)械傳動(dòng)部件(如伺服電機(jī))，檢測(cè)信號(hào)是該傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再將其

44、轉(zhuǎn)換為位置信號(hào)，因此全閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括較多的機(jī)械傳動(dòng)部件，理論上具有比半閉環(huán)控更高的控制精度。目前，半閉環(huán)控制系統(tǒng)在普通和精密機(jī)床中使用較多，全閉環(huán)控制方法則多用于應(yīng)用于超精密機(jī)床上。 上述超精密機(jī)床的閉環(huán)控制都采用前饋加PID控制方法，這種傳統(tǒng)控制方法穩(wěn)定性好、可靠性高，PMAC運(yùn)動(dòng)控制板就是這種控制器的代表。超精密數(shù)控系統(tǒng)要求有納米級(jí)運(yùn)動(dòng)分辨率，因此要求有更短的插補(bǔ)周期(小于1ms)和控制周期(小于0.1ms)。此外，針對(duì)超精密加工特點(diǎn)，需要多軸聯(lián)動(dòng)生成高次曲線、曲面，在傳統(tǒng)控制算法的基礎(chǔ)上，采用交叉耦合控制、最優(yōu)預(yù)見控制(OPC)、逆補(bǔ)償濾波器(IKF)控制、滑?？刂啤⑾莶扒梆伒确椒?，

45、可以較大地提高跟蹤精度。另外，適應(yīng)控制(AC，Adaptive Control)技術(shù)開始在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用。適應(yīng)控制就是使機(jī)床能隨加工過(guò)程中切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)切削量，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程最佳化的自動(dòng)控制。適應(yīng)控制技術(shù)己形成了約束適應(yīng)控制(ACC，Adaptive Control Constraint)、最佳適應(yīng)控制(ACO，Adaptive Control Optimization)和學(xué)習(xí)適應(yīng)控制(TAC，Trainable Adaptive Control)等多個(gè)分支。5.4 振動(dòng)與環(huán)境誤差防止在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初期，人們雖然早已認(rèn)識(shí)到機(jī)床振動(dòng)及環(huán)境條件對(duì)加工精度的影響，但由于加工精度

46、要求比較低，振動(dòng)及環(huán)境誤差的影響并不明顯，因此對(duì)振動(dòng)及環(huán)境誤差的研究未受到重視。應(yīng)該說(shuō)，對(duì)振動(dòng)及環(huán)境誤差問(wèn)題的研究真正開始于精密、超精密加工的興起。對(duì)于普通加工，機(jī)床振動(dòng)及環(huán)境波動(dòng)引起的誤差在機(jī)床加工誤差所占分量很小，因此對(duì)機(jī)床地基及周圍加工環(huán)境沒有嚴(yán)格的要求。但是，對(duì)于精密、超精密加工，機(jī)床振動(dòng)嚴(yán)重影響到加工工件的加工表面粗造度以及會(huì)影響0.1m級(jí)的尺寸精度，給機(jī)床加工精度造成了很大危害，必須予以限制。防止和減少振動(dòng)誤差的措施是降低機(jī)床內(nèi)部和外部振源的影響。為了減少機(jī)床內(nèi)部振源的影響，須提高機(jī)床零部件的加工精度，對(duì)于機(jī)床中的回轉(zhuǎn)零件要進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡，或者選擇低速加工以減少回轉(zhuǎn)件不平衡的影響

47、;為了減輕或消除來(lái)自機(jī)床外部振動(dòng)的影響，必須采取合適的機(jī)床基礎(chǔ)和防振裝置，得到成功應(yīng)用的防振裝置已有橡膠隔振器、金屬?gòu)椈?、G型隔振器及壓縮空氣熱等。另外，在精密、超精密加工中，對(duì)加工環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，空氣中的溫度、塵埃、濕度、氣壓以及氣流都有可能危及加工精度，因此要求對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行防塵、除濕等凈化處理，并保持溫度和氣壓的恒定。國(guó)外如美國(guó)已形成了加工環(huán)境的凈化標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚在研究形成階段。5.5 檢側(cè)誤差防止數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控越來(lái)越普遍，裝有各種類型的檢測(cè)、監(jiān)控裝置。位置檢測(cè)裝置則是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。閉環(huán)伺服控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要取決于

48、檢測(cè)系統(tǒng)的精度。為了滿足各種不同閉環(huán)伺服控制及加工精度的需要，人們研制了多種位置檢測(cè)裝置，如回轉(zhuǎn)型的脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵、多速旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對(duì)脈沖編碼器、三速圓感應(yīng)同步器以及直線型的直線圓感應(yīng)同步器、計(jì)數(shù)光柵、磁尺、激光干涉儀、三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值式磁尺等。另外，還研制了一些監(jiān)測(cè)手段如紅外(IR)、聲發(fā)射(AE)、激光檢測(cè)裝置等來(lái)對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。誤差防止對(duì)精度的提高受當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展水平的限制，且當(dāng)加工精度要求較高時(shí)，采用誤差預(yù)防的費(fèi)用將呈指數(shù)增加，同時(shí)，高精度機(jī)床維護(hù)費(fèi)用非常高昂，精度在使用過(guò)程中容易喪失。因此，用誤差防止法提高加工誤差是有限度的。第六章

49、誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償是通過(guò)檢定機(jī)床各種誤差或分析誤差成因，依據(jù)檢定結(jié)果及誤差模型對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚齺?lái)提高機(jī)床精度。隨著工件加工精度的提高，單純依靠通過(guò)提高機(jī)床零部件質(zhì)量(加工精度、剛度與熱特性等)、降低內(nèi)部熱源發(fā)熱量、嚴(yán)格控制加工環(huán)境和使用條件來(lái)減小機(jī)床加工誤差的誤差防止措施，在技術(shù)上變得越來(lái)越困難，在經(jīng)濟(jì)上變得越來(lái)越難以承受。誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用則是擺脫這一困境的根本性措施。同時(shí)，誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用突破了只有精密機(jī)床才能加工精密零件的傳統(tǒng)觀念，為利用數(shù)控機(jī)床加工精度比機(jī)床自身精度更高的工件創(chuàng)造了條件。機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)幕舅枷刖褪侨藶榈卦斐鲆环N新的誤差去抵消或大大減少當(dāng)前成為問(wèn)題

50、的原始誤差，通過(guò)測(cè)量、分析、統(tǒng)計(jì)及歸納等措施掌握原始誤差的特點(diǎn)和規(guī)律，建立誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，盡量使人為造出的誤差與和原始誤差二者的大小相等、方向相反，從而減少加工誤差，達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高零件的加工精度。與誤差防止法不同，誤差補(bǔ)償技術(shù)將眾多形成機(jī)床加工誤差的因素視為一個(gè)不知其相互間作用內(nèi)情的黑箱，只針對(duì)它最終出現(xiàn)的幾何誤差值予以自動(dòng)修正。誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是建立起正確的機(jī)床誤差模型和能準(zhǔn)確檢定出機(jī)床誤差。根據(jù)誤差來(lái)源，誤差補(bǔ)償可以分為隨機(jī)誤差補(bǔ)償和系統(tǒng)誤差補(bǔ)償兩種。隨機(jī)誤差補(bǔ)償要求在線測(cè)量，把誤差檢測(cè)裝置直接安裝在機(jī)床上，在機(jī)床工作的同時(shí)，實(shí)時(shí)地測(cè)出相應(yīng)位置的誤差值，用此誤差值實(shí)時(shí)地對(duì)加工指令進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差補(bǔ)償對(duì)機(jī)床的誤差性質(zhì)沒有要求，能夠同時(shí)對(duì)機(jī)床的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，但需要一整套完整的高精度測(cè)量裝置和其它相關(guān)的設(shè)備，成本高。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是用相應(yīng)的儀器預(yù)先對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，即通過(guò)離線測(cè)量得到機(jī)床工作空間指令位置的誤差值，把它們作為機(jī)床坐標(biāo)的函數(shù)。機(jī)床工作時(shí)，根據(jù)加工點(diǎn)的坐標(biāo)，調(diào)出相應(yīng)的誤差值以進(jìn)行修正。該方法要求機(jī)床的穩(wěn)定性好，保證機(jī)床誤差的確定性，以便于修正，經(jīng)補(bǔ)