精密和超精密加工技術(shù)：第6章 在線檢測與誤差補(bǔ)償技術(shù)

1、2022/9/236.1 概述 6.2 在線檢測與誤差補(bǔ)償方法 6.3 微位移技術(shù) 第6章 在線檢測與誤差補(bǔ)償技術(shù)2022/9/23一、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。2）“進(jìn)化”原則，或稱“創(chuàng)造性”原則。 提高加工精度的途徑：1）隔離和消除誤差；2）誤差補(bǔ)償，用相應(yīng)的措施去“鈍化“、抵消、均化誤差，使誤差減小。第1節(jié) 概述2022/9/23二、加工精度的檢測1.離線檢測 工件加工完畢后，從機(jī)床上取下，在機(jī)床旁或在檢測室中進(jìn)行檢測。2.在位檢測 工件加工完畢后，在機(jī)床上不卸下工件的情況下進(jìn)行檢測。3.在線檢測 工件在加工過程中的同時進(jìn)行檢測，

2、又稱主動檢測、動態(tài)檢測。2022/9/23在線檢測特點(diǎn)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(jié)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(yùn)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(bǔ)償2）間接檢測系統(tǒng)：檢測產(chǎn)生加工誤差的誤差源，并補(bǔ)償2022/9/23三、誤差補(bǔ)償技術(shù)1.誤差補(bǔ)償?shù)母拍?在機(jī)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補(bǔ)償。 從狹義的角度分析：誤差修正（校正）是指對測量、計算、預(yù)測所得的誤差進(jìn)行修正（校正

3、)；誤差分離是指從綜合測量所得的誤差中分離出所需的單項誤差；誤差抵消是指兩個或更多個誤差的相互抵消；誤差補(bǔ)償是對一尺寸、形狀、位置差值的補(bǔ)足。2022/9/232.誤差補(bǔ)償?shù)念愋停?）實時與非實時誤差補(bǔ)償 實時誤差補(bǔ)償加工過程中，實時進(jìn)行誤差檢測，并緊接著進(jìn)行誤差補(bǔ)償，不僅可以補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，且可以補(bǔ)償隨機(jī)誤差。非實時誤差補(bǔ)償只能補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。（2）軟件與硬件誤差補(bǔ)償 軟件補(bǔ)償通過計算機(jī)對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算后，發(fā)出運(yùn)動指令，由數(shù)控隨動系統(tǒng)完成誤差補(bǔ)償動作。軟件與硬件補(bǔ)償?shù)膮^(qū)分是看補(bǔ)償信息是由軟件還是硬件產(chǎn)生的。2022/9/232.誤差補(bǔ)償?shù)念愋停?）單項與綜合誤差補(bǔ)償 綜合誤差補(bǔ)償是同時

4、補(bǔ)償幾項誤差，比單項誤差補(bǔ)償要復(fù)雜，但效率高、效果好。（4）單維與多維誤差補(bǔ)償 多維誤差補(bǔ)償是在多坐標(biāo)上進(jìn)行誤差補(bǔ)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(bǔ)償技術(shù)。2022/9/233.誤差補(bǔ)償過程 過程：1）反復(fù)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(jìn)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(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償量之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。3）選擇或設(shè)計合適的誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以便在補(bǔ)償點(diǎn)實現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)動。4）驗證誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?，進(jìn)行必要的調(diào)試，保證達(dá)到預(yù)期要求。2022/9/231）誤差信號的檢測2）誤差信號

5、的處理3）誤差信號的建模4）補(bǔ)償控制5）補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)12345計算機(jī)控制系統(tǒng)誤差補(bǔ)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(bǔ)償控制 5補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的組成2022/9/235.誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展1）預(yù)報型補(bǔ)償 Forecasting Compensatory ControlFCC技術(shù)，利用在線隨機(jī)建模理論、先進(jìn)的傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、微位移技術(shù)等，對誤差進(jìn)行建模和預(yù)報，對動態(tài)誤差進(jìn)行實時補(bǔ)償。2）綜合型補(bǔ)償 對工件尺寸、形狀和位置誤差同時進(jìn)行綜合補(bǔ)償，其中包括對尺寸、形狀和位置一種誤差中的多項誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。2022/9/23第2節(jié) 在線檢測與誤差補(bǔ)償

6、方法一、形狀位置誤差的在線檢測1.外圓、孔類形狀位置誤差的測量方法三點(diǎn)法 建立如圖所示的直角坐標(biāo)系。O1點(diǎn)的極坐標(biāo)為x()和y()。s()為被測工件的輪廓形狀誤差。測微儀A、B、C的輸出信號分別為A()、B()、C()，則2022/9/23 消去x()和y()得三點(diǎn)法誤差分離基本方程為2022/9/23測量時，若取采樣點(diǎn)數(shù)為N，則令并將離散化最后求得任意時刻機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差只有在主軸回轉(zhuǎn)完整一周后，才能求得回轉(zhuǎn)誤差2022/9/23轉(zhuǎn)位法 采用圓光柵測量角度位置，用測微儀（測頭傳感器）測量工件形狀誤差和回轉(zhuǎn)軸系運(yùn)動誤差，起點(diǎn)電路提供一個作為角度位置的起始點(diǎn)信號。2022/9/23轉(zhuǎn)位法反轉(zhuǎn)

7、法測量時只作一次轉(zhuǎn)位，共測得兩組數(shù)據(jù)式中若整個檢測裝置的檢測重復(fù)性好，則可得2022/9/23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) 角，共測m個位置， ，可得m組數(shù)據(jù)當(dāng)m很大時， 的平均值忽略不計，可得回轉(zhuǎn)軸系平均運(yùn)動誤差2022/9/23對稱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位角，取轉(zhuǎn)位角等于采樣間隔角 ，共得3組數(shù)據(jù)(1)(2)(3)2022/9/23由式（1）、（3）可得由式（1）、（2）可得取平均值一般式由式（4）、（5）可得（4）（5）2022/9/232.平面類形狀位置誤差的測量方法反轉(zhuǎn)法測量分兩次進(jìn)行，在第二次測量時，工件轉(zhuǎn)過180度

8、，得到兩組數(shù)據(jù) 式中2022/9/23若檢測裝置重復(fù)性好，可認(rèn)為可得2022/9/23平移法測量分兩次進(jìn)行，在第二次測量時，工件平移一個步距S，得到兩組數(shù)據(jù)若機(jī)床和檢測裝置重復(fù)性好，可認(rèn)為可得2022/9/23兩點(diǎn)法取步距S為兩測頭的間距進(jìn)行測量，若將機(jī)床直線運(yùn)動部件的角運(yùn)動誤差 忽略不計，則得到2022/9/23三點(diǎn)法用間距為步距S的三個測頭進(jìn)行測量，則考慮機(jī)床直線運(yùn)動部件角運(yùn)動誤差 ，得到3組方程2022/9/23三點(diǎn)法 將式（1）與式（3）相加后減去2倍的式（2）得（1）（2）（3）2022/9/23二、在線檢測與誤差補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用1.車削工件圓度和圓柱度的誤差補(bǔ)償工件圓度誤差平均減小40

9、，工件圓柱度誤差平均減小232022/9/232.磨削工件圓度的誤差補(bǔ)償工件圓度誤差由0.74m減少到0.375 m。2022/9/233.鏜削工件內(nèi)孔圓柱度的誤差補(bǔ)償補(bǔ)償后的內(nèi)孔圓柱度誤差減少了56642022/9/234.立銑工件直線度的誤差補(bǔ)償該系統(tǒng)直線度誤差減少了80。2022/9/235.數(shù)控立銑工件平面度的誤差補(bǔ)償平面度誤差減少了802022/9/236.精密絲杠螺距的誤差補(bǔ)償主軸溜板壓電陶瓷單個螺距誤差可減少892022/9/23第3節(jié) 微位移技術(shù)一、微位移系統(tǒng)及應(yīng)用 微位移系統(tǒng)由微位移機(jī)構(gòu)、檢測裝置和控制系統(tǒng)組成，為了實現(xiàn)小行程、高靈敏度和高精度的位移。 微位移機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)微位移

10、的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(shù)性能指標(biāo)。1）微進(jìn)給 2）誤差補(bǔ)償 3）精密調(diào)整2022/9/23二、微位移機(jī)構(gòu)的類型2022/9/232022/9/23三、典型微位移工作臺1.平行彈性導(dǎo)軌微位移工作臺 若步進(jìn)電動機(jī)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2022/9/232.電磁控制微位移工作臺2022/9/233.磁致伸縮微位移工作臺 放置于磁場中的材料發(fā)生尺寸和形狀變化的現(xiàn)象磁致伸縮效應(yīng)。 磁致伸縮機(jī)構(gòu)是利用鐵磁材料在磁場的作用下產(chǎn)

11、生微伸長運(yùn)動來實現(xiàn)微位移的，改變磁場強(qiáng)度可控制伸長率，但鐵磁材料在磁場的作用下，除了產(chǎn)生磁致伸縮外，還伴有發(fā)熱伸長。 2022/9/234.電致伸縮微位移工作臺 電介質(zhì)在外電場的作用下，由于感應(yīng)極化的作用而產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變大小與電場強(qiáng)度的平方成正比，其應(yīng)變方向與電場方向無關(guān)電致伸縮效應(yīng)。 電致伸縮材料：鈮鎂酸鉛系列（PMN）、弛豫鐵電體、雙弛豫鐵電體、PZT鐵電陶瓷系列等。 電致伸縮器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、無發(fā)熱現(xiàn)象、控制簡單等特點(diǎn)。2022/9/235.壓電效應(yīng)微位移工作臺 電介質(zhì)受到機(jī)械應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生電極化，電極化的大小與施加的機(jī)械應(yīng)力成正比，電極化的方向隨應(yīng)力的方向而改變正壓電效應(yīng)。 電介質(zhì)在外電場的作用下，將產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場大小成正比，應(yīng)變方向與電場方向有關(guān)，當(dāng)電場的方向改變時，應(yīng)變的方向也隨著改變逆壓電效應(yīng)。 壓電材料：鐵電晶體和壓電晶體兩類。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）。2022/9/23尺蠖式壓電陶瓷電機(jī)a)原始非工作狀態(tài)b)器件A加電壓后縮小夾緊電動機(jī)軸c)器件C加電壓后軸向伸長推動器件A并使電動機(jī)軸向某一軸向方