數(shù)控機(jī)床誤差與補(bǔ)償概述

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通過,數(shù)控系統(tǒng)對誤差進(jìn)行補(bǔ)償,是有效的途徑，使用誤差補(bǔ)償技術(shù)可以很小的代價獲得“硬技術(shù)難以達(dá)到的精度水平和動態(tài)性能8.1,概述,一、機(jī)床誤差的分類,機(jī)床誤差包括,幾何誤差、間隙誤差、熱誤差、摩擦誤差和動態(tài)誤差,五類按誤差產(chǎn)生原因分類,上述誤差按誤差產(chǎn)生原因分類：,幾何誤差和間隙誤差,屬于,機(jī)床本體誤差,，,熱誤差、摩擦誤差和動態(tài)誤差,屬于,機(jī)床運行誤差,按誤差的性質(zhì)分類,上述誤差按誤差的性質(zhì)分類：,幾何誤差,屬于,靜態(tài)誤差,，,熱誤差,屬于,準(zhǔn)靜態(tài)誤差,，,摩擦誤差和動態(tài)誤差,屬于,動態(tài)誤差,，,間隙誤差,雖然屬于機(jī)械系統(tǒng)誤差，但其在機(jī)床運行時表現(xiàn)出來，比較特殊數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,1,、幾何誤差和熱誤差補(bǔ)償原理,幾何誤差和熱誤差屬于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)誤差，因此可通過修正插補(bǔ)指令來實現(xiàn)，方法為：,二、誤差補(bǔ)償原理,幾何誤差,補(bǔ)償模塊,伺服,驅(qū)動,dCurCmdPos,dGerErrData,dTmpErrData,dRealCmdPos,總線,接口,CNC,插補(bǔ)指令,位置,熱誤差,補(bǔ)償模塊,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,2,、間隙和摩擦誤差補(bǔ)償原理,由于間隙和摩擦誤差宏觀表現(xiàn)和補(bǔ)償過程有很多相似之處，故經(jīng)常放在一起。

數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,3,、動態(tài)誤差補(bǔ)償原理,動態(tài)誤差的產(chǎn)生是機(jī)床運行時，由于伺服系統(tǒng)控制參數(shù)不合理或機(jī)械系統(tǒng)擾動造成的，因此補(bǔ)償必須通過,伺服參數(shù)優(yōu)化,來解決，伺服參數(shù)包括位置和速度前饋參數(shù)，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制參數(shù)，以及速度和電流濾波參數(shù)等數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,伺服參數(shù)不合理造成的的誤差,伺服參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果,8.1,概述,8,8.1,概述,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,8.3,熱誤差補(bǔ)償,8.4,間隙誤差補(bǔ)償,8.5,摩擦誤差補(bǔ)償,8.6,伺服參數(shù)優(yōu)化,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、幾何誤差分析與建模,按幾何誤差的類型分類,移動誤差,定位誤差，水平直線度,垂直直線度,轉(zhuǎn)動誤差,滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差，偏擺誤差,任一物體在空間中都具有,六個自由度,，即沿空間坐標(biāo)軸,X,、,Y,、,Z,直線方向的,移動自由度,和繞這三個坐標(biāo)軸的,轉(zhuǎn)動自由度,。

以,X,軸為例，移動誤差包括水平直線度誤差，垂直直線度和定位誤差，轉(zhuǎn)動誤差包括滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差和偏擺誤差8.2,幾何誤差補(bǔ)償,幾何誤差分析,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1,）沿,X,軸移動時，,線性位移誤差,x(x),、,Y,向直線度誤差,y(x),、,Z,向直線度誤差,z(x),、滾轉(zhuǎn)誤差,x(x),、偏擺誤差,y(x),和俯仰誤差,z(x),；,2,）沿,Y,軸移動與沿,Z,軸移動同理，因此,X,、,Y,、,Z,三個線性軸共有,18,項誤差,3,）,3,軸之間的垂直度誤差,xy,、,zx,、,yz,幾何誤差分析,三個線性軸共,21,項誤差,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2.,幾何綜合誤差建模,首先根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)類型，建立機(jī)床坐標(biāo)系和各運動部件坐標(biāo)系然后運用,齊次坐標(biāo)變換方法,，計算得到機(jī)床的,幾何綜合誤差模型：,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,根據(jù),矢量變換原理,，將幾何綜合誤差模型分解到各個軸上。

軸向幾何誤差,主要是,定位誤差軸間幾何誤差,主要是,垂直度誤差,2.,幾何綜合誤差建模,軸向誤差,軸間誤差,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1,、螺距,/,光柵誤差,對于螺距測量，將測量行程平均分為,N,個點，然后激光干涉儀運動到第,n,個點，獲得此點的正方向誤差，并在該點,多次測量,求,誤差平均值,，形成,雙向誤差補(bǔ)償,數(shù)據(jù)二、幾何誤差測量,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2,、軸向、軸間誤差測量,右圖是對角線法測量原理圖測量,3,組對角線，解方程組，可得到所需的補(bǔ)償值：,E,x(x),、,E,x(y),、,E,x(z),、,E,y(y),、,E,y(x),、,E,y(z),、,E,z(z),、,E,z(x),、,E,z(y),利用激光干涉儀測量機(jī)床各個軸的,21,項幾何誤差項，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換形成單軸誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)和軸關(guān)系誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)8.2,幾何誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,首先利用測量得到的數(shù)據(jù)建立補(bǔ)償表文件,(,文本文件,),，系統(tǒng)啟動時將補(bǔ)償表文件讀入數(shù)控系統(tǒng)，建立補(bǔ)償數(shù)組。

機(jī)床返回參考點后，利用,查表,+,線性插值,等方法，在每個插補(bǔ)周期對插補(bǔ)指令進(jìn)行修正文件格式：基準(zhǔn)軸、補(bǔ)償軸、初始位置、終點位置、補(bǔ)償點距離、補(bǔ)償點的補(bǔ)償值；,文件可包含多個補(bǔ)償數(shù)組，同一個基準(zhǔn)軸可補(bǔ)償多個補(bǔ)償軸,三、幾何誤差補(bǔ)償,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,幾何誤差補(bǔ)償方法原理圖,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,17,8.1,概述,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,8.3,熱誤差補(bǔ)償,8.4,間隙誤差補(bǔ)償,8.5,摩擦誤差補(bǔ)償,8.6,伺服參數(shù)優(yōu)化,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3,熱誤差補(bǔ)償,一、熱誤差的分類,1,、按熱誤差的表現(xiàn)分類,平移型熱誤差,x,y,扭轉(zhuǎn)型熱誤差,平移型熱誤差可以通過誤差補(bǔ)償消除,扭轉(zhuǎn)型熱誤差不可以通過誤差補(bǔ)償消除,因此，在機(jī)床設(shè)計時總是希望通過熱均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得熱誤差方向一致，不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)型熱誤差,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、熱誤差的分類,2,、按熱誤差發(fā)生的部位分類,主軸系統(tǒng)熱誤差,z,進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差,主軸系統(tǒng)熱誤差與工作臺位置無關(guān)，只與溫度相關(guān),進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差除了與溫度相關(guān)之外，還與工作臺的當(dāng)前位置相關(guān),因此，需要根據(jù)不同的熱誤差形式進(jìn)行補(bǔ)償,x,8.3,熱誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,二、熱誤差的測量,1,、主軸熱變形的測量,主軸系統(tǒng)熱誤差測量,z,首先在主軸表面布置多個溫度傳感器,在主軸端面布置,非接觸式位移傳感器,，讓主軸連續(xù)運行，同時采集各溫度傳感器溫度信號和位移傳感器位移信號,溫度傳感器,位移傳感器,在主軸端面布置,接觸式位移傳感器,，讓主軸連續(xù)運行一段時間后，記錄一次各溫度傳感器數(shù)據(jù)，測量一次熱變形。

8.3,熱誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3,熱誤差補(bǔ)償,二、熱誤差的測量,2,、進(jìn)給軸熱變形的測量,進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差測量,x,溫度傳感器,溫度傳感器,溫度傳感器,首先在絲杠,兩端軸承,和,螺母副,處布置溫度傳感器,讓機(jī)床工作運動一段時間，采用光柵或激光干涉儀測量,進(jìn)給軸某位置處,的定位誤差,三、熱誤差建模,通過熱誤差測量可得到多個測溫點的溫度值和熱誤差值，由于測溫點比較多，所以需要對測溫點進(jìn)行優(yōu)化，找出,熱敏感點,，然后用線性回歸的方法建立,誤差值與熱敏感點,之間的函數(shù)關(guān)系模糊聚類方法優(yōu)化測溫點,8.3,熱誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,四、熱誤差補(bǔ)償方法,指令位置,顯示位置,電機(jī)指令位置,運動控制,K0,、,tan,、,P,0,位置反饋,+,-,選擇開關(guān),RS232,PLC,溫度采集,獨立,補(bǔ)償裝置,熱誤差補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)框圖,8.3,熱誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,五、熱誤差補(bǔ)償實驗,熱誤差補(bǔ)償現(xiàn)場,0-4,通道測溫點數(shù)據(jù)和主軸熱誤差數(shù)據(jù),熱誤差補(bǔ)償結(jié)果,Z=-82.0940-0.5159T1-0.3879T3+6.4780T9,8.3,熱誤差補(bǔ)償,25,8.1,概述,8.2,幾何誤差補(bǔ)償,8.3,熱誤差補(bǔ)償,8.4,間隙誤差補(bǔ)償,8.5,摩擦誤差補(bǔ)償,8.6,伺服參數(shù)優(yōu)化,一、間隙產(chǎn)生原因及影響,產(chǎn)生原因：,機(jī)床滾珠絲杠與螺母副之間存在間隙，不能緊密接觸，產(chǎn)生軸竄動。

隨著機(jī)床的使用，磨損逐漸加劇，產(chǎn)生間隙影響：,工作臺反向運動時電機(jī)空轉(zhuǎn)而工作臺并不運動，造成,D/2,的定位誤差，影響機(jī)床精度,間隙過大時，動態(tài)響應(yīng)特性變差,發(fā)生振蕩,解決方案：,采用高精度的滾珠絲杠,安裝絲杠時進(jìn)行預(yù)緊,用數(shù)控系統(tǒng)指令補(bǔ)償間隙,8.4,間隙誤差補(bǔ)償,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,無間隙,二、間隙誤差的測量,根據(jù)光柵反饋值與位置指令之差，測得機(jī)床反向間隙誤差,D,反向間隙測量,根據(jù)激光干涉儀測得的機(jī)床實際位置與位置指令之差，測得機(jī)床反向間隙誤差,D,數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所,Institute of Numerical Control 。

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