數(shù)控機床誤差實時補償技術總結

1、數(shù)控機床實時誤差補償技術的學習總結第1章 緒論制造業(yè)的高速發(fā)展和加工業(yè)的快速提高，對數(shù)控機床加工精度的要求日益提高。一般來說，數(shù)控機床的不精確性是由以下原因造成：1 機床零部件和結構的幾何誤差；2 機床熱變形誤差；3 機床幾何誤差；4 切削力（引起的）誤差；5 刀具磨損誤差；6 其它誤差源，如機床軸系的伺服誤差，數(shù)控插補算法誤差。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。提高機床加工精度有兩種基本方法：誤差防止法和誤差補償法（或稱精度補償法）。誤差防止法依靠提高機床設計、制造和安裝精度，即通過提高機床本書的精度來滿足機械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于機床精度

2、，因此該方法存在很大的局限性，并且經(jīng)濟上的代價也很昂貴。誤差補償法是認為地造出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差，以達到減小加工誤差，提高零件加工精度目的的方法。誤差補償法需要投入的費用很小，誤差補償技術是提高機床加工精度的經(jīng)濟和有效的手段，其工程意義非常顯著。誤差補償技術（Error Compensation Technique，簡稱ECT）是由于科學技術的不斷發(fā)展對機械制造業(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。誤差補償技術具有兩個主要特性：科學性和工程性。1機床誤差補償技術可分為下面七個基本內(nèi)容：1 誤差及誤差源分析；2 誤差運動

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

4、統(tǒng)的網(wǎng)絡化、群控化；5 補償?shù)闹悄芑c開放化。第2章 數(shù)控機床誤差及其形成機理一、 誤差的概念1. 機床誤差機床工作臺或刀具在運動中，理想位置和實際位置的差異（機床誤差位置誤差）,或就稱機床位置誤差。機床精度-機床工作臺或刀具在運動中，理想位置和實際位置的相符程度。2. 加工誤差由刀具與工件相對運動中的非期望分量引起的。3. 運動誤差-機床運動元件（如刀具與工件）之間的相對運動所造成的誤差。4. 機床幾何誤差-是指機床上零、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，造成機床上某些零件位置產(chǎn)生偏差，從而使得機床在刀具和工件相對運動中產(chǎn)生位置誤差，最終表現(xiàn)在機床的加工精度上。運動誤差-機

5、床運動元件（如刀具與工件）之間的相對運動所造成的誤差。5. 熱（變形）誤差-機床溫度變化引起變形造成的機床零件間相對位置及形狀等誤差。6. 力（變形）誤差-機床受力（包括切削力、工件和夾具重力、裝夾力，機床部件本身重力，等等）引起變形造成的機床零件間相對位置及形狀等誤差，也稱剛度誤差。7. 加工誤差由刀具與工件相對運動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、準靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差、高頻誤差2. 分類二：位置誤差、非位置誤差三、 數(shù)控機床幾何誤差元素1. 移動副誤差元素分析根據(jù)一個物體在空間運動有六個自由度，故機床移動部件在導軌上移動時共有6項誤差，其中包括3項移動誤差和3項

6、轉(zhuǎn)動誤差，同時還存在3個垂直度誤差。2. 轉(zhuǎn)動副誤差元素分析轉(zhuǎn)動副繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時存在六個誤差元素，包括三個移動誤差和三個轉(zhuǎn)角誤差。3. 主軸誤差元素機床主軸旋轉(zhuǎn)時存在五個誤差元素，包括三個移動誤差和兩個轉(zhuǎn)角誤差。四、 機床熱變形機理金屬材料具有熱脹冷縮的特性，當機床處于工作狀態(tài)時，由于機床運動部件產(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、 機床熱變形形態(tài)及對策(一) 機床熱變形狀況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、 升降臺銑床的主軸處溫高，機床中部溫高，故主軸被抬高并傾斜，立柱外翻

7、；工作臺溫度上高下低，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) 控制機床熱變形的對策1、 優(yōu)化機床設計，減小熱變形2、 強制冷卻，控制機床溫升3、 設置輔助熱源4、 補償技術5、 控制溫度環(huán)境第3章 機床誤差綜合數(shù)學模型一、 機床誤差綜合數(shù)學模型建模的具體步驟：1、 建立坐標系2、 建立誤差轉(zhuǎn)換矩陣3、 建立刀具坐標系和工件坐標系之間的關系二、 機床誤差綜合模型的建模方法：1、 設定坐標系2、 誤差運動轉(zhuǎn)換矩陣3、 TXYZ型加工中心

8、的綜合數(shù)學模型第4章 機床誤差檢測技術一、 機床誤差檢測技術檢測機床幾何精度傳統(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、 溫度測點布置技術(一) 溫度測點的選擇在機床熱誤差的補償中，溫度測點的布置是關鍵和難點。選擇適當?shù)臏囟葴y點不但能減少用于建模的測點數(shù)目，簡化建模過程和熱誤差模型，而且還可提高機床熱誤差模型的精度。在幾乎所有應用的熱誤差補償系統(tǒng)中，溫度測點位置的確定在一定程度上是根據(jù)經(jīng)驗進行試湊的過程，我們稱試湊法。它通常是先基于工程判斷，在機床的不同位置安裝大量的溫度傳感器，再采用統(tǒng)計相關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數(shù)據(jù) Tij 應與熱誤差數(shù)據(jù) Ej 有一定的聯(lián)系，即具有一定的相關性，用數(shù)學式子表達為：其中：i=1, 2, ., m, m為溫度測點數(shù)； j=1, 2, ., n, n為測量數(shù)據(jù)個數(shù)。2、 能觀測性策略能觀測性策略是指所選溫度點的溫度信號能否具有一定精度地表達機床熱誤差。對于機床熱動態(tài)過程，一般有：其中T為機床溫度矩陣， 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。由此可得下列結論：(1) 可觀測性條件或溫度對于熱誤差的表達與溫度傳感器在機床上的位置緊密有關；(2) 只要布置合適，少量的溫度測點也能表達熱誤差；(3) 為了保證可觀測性或用溫度表達熱誤差，溫度傳感器應避免布置在特征函數(shù)的零點位置上。第5章 機床誤差元素建模技術數(shù)控機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誤差與坐標位置有關，熱誤差與溫度有關，而實際檢測到的誤差是幾何誤差和熱誤差的復合誤差，因此可把以上誤差分為僅與機床坐標位置有關的幾何誤差因素、僅與機床溫度有

11、關的熱誤差因素、與機床溫度和位置坐標都有關的復合誤差因素三類。機床誤差元素建模技術1、 僅與機床溫度有關的熱誤差元素建模由于機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)學模型是相當困難的。最為常用的熱誤差建模方法為實驗建模法，即根據(jù)統(tǒng)計理論對熱誤差數(shù)據(jù)和機床溫度值作相關分析用最小二乘原理進行擬合建模。(1) 最小二乘建模(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡建模(3) 模糊理論建模(4) 正交實驗設計建模(5) 綜合最小二乘建模(6) 遞推最小二乘建模 2、 僅與機床坐標有關的幾何誤差元素建模依據(jù)剛體

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

13、論值之間的誤差。2、 開環(huán)（前饋）補償控制方式開環(huán)前饋補償控制利用預先求得的加工誤差數(shù)學模型，預測誤差而進行補償。3、 半閉環(huán)（前饋）補償控制方式半閉環(huán)前饋補償控制選擇幾個比較容易檢測，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)律的關系式。比較以上三種補償系統(tǒng)，閉環(huán)反饋補償控制系統(tǒng)的優(yōu)點是補償精度最高，而缺點是系統(tǒng)制造成本也最高；開環(huán)前饋補償控制系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)制造成本最低，而補償精度也最低；半閉環(huán)前饋補償控制系統(tǒng)的功能與價格比最佳，故根據(jù)我國的具體情況，以經(jīng)濟、技術、實用和精度等綜合考慮，選用半閉環(huán)前饋補償控制系統(tǒng)是相對最優(yōu)的控制方式。二、 誤差

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

15、殊的電子裝置將相位信號插入伺服環(huán)中。這種插入有時是非常復雜的，需要特別小心，以免插入信號與機床本身的反饋信號相干涉。2、 原點平移策略補償用計算機計算機床的空間誤差，這些誤差量作為補償信號送至CNC控制器，通過I/O口平移控制系統(tǒng)的參考原點，并加到伺服環(huán)的控制信號中以實現(xiàn)誤差量的補償。這種補償既不影響坐標值，也不影響CNC控制器上執(zhí)行的工件程序，因而，對操作者而言，該方法是不可見的。原點平移法不用改變?nèi)魏蜟NC機床的硬件，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端可以接收補償值。這種改變在老型號的CNC控制器中也許是不可能的。第7章 車削中心熱誤差實時補償應用實例一

16、、 車削中心熱誤差實時補償應用實例1、 問題的提出隨著加工進行，機床溫度升高，機床各部件產(chǎn)生熱變形，由此使得刀具與工件的相對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系統(tǒng)的建立(2) 熱誤差測量試驗(3) 一系列影響熱誤差的單因素試驗3、 熱誤差模態(tài)分析4、 熱誤差建模5、 補償控制系統(tǒng)及補償效果檢驗二、 數(shù)控雙主軸車床幾何誤差和熱誤差綜合實時補償應用1、 幾何和熱誤差綜合數(shù)學模型的簡化2、 誤差元素檢測和建模(1) 溫度傳感器的布置(2) 與機床拖板位置有關誤差元素的檢測和建模(3) 與機床拖板位置無關誤差元素的檢測和建模3、 誤差補償系統(tǒng)4、

17、 誤差補償效果檢驗(1) 主軸熱漂誤差檢驗(2) 對角斜線檢驗(3) 實際補償切削效果檢驗學習心得體會在提高機床加工精度有兩種基本方法中，誤差防止法是靠提高機床設計、制造和安裝精度，即通過提高機床本書的精度來滿足機械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于機床精度，因此該方法存在很大的局限性，并且經(jīng)濟上的代價也很昂貴。誤差補償法是認為地造出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差，以達到減小加工誤差，提高零件加工精度目的的方法。誤差補償法需要投入的費用很小，誤差補償技術是提高機床加工精度的經(jīng)濟和有效的手段，其工程意義非常顯著。所以，誤差補償技術必然成為提高機床加工精度的最重要辦法，成為研究的前沿和主流。我們通過本課程對誤差補償技術進行