数控机床误差实时补偿技术总结.docx

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1、精品名师归纳总结数控机床实时误差补偿技术的学习总结第 1 章 绪论制造业的高速进展和加工业的快速提高,对数控机床加工精度的要求日益提高。一般来说,数控机床的不精确性是由以下缘由造成：1 机床零部件和结构的几何误差。2 机床热变形误差。3 机床几何误差。4 切削力（引起的）误差。5 刀具磨损误差。6 其它误差源,如机床轴系的伺服误差,数控插补算法误差。其中热变形误差和几何误差为最主要的误差,分别占了总误差的45、 20。提高机床加工精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法（或称精度补偿法）。误差防止法依靠提高机床设计、制造和安装精度,即通过提高机床本书的精度来满意机械加工精度的要求。 由于加工

2、精度的提高受制于机床精度,因此该方法存在很大的局限性,并且经济上的代价也很昂贵。误差补偿法是认为的造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差,以达到减小加工误差,提高零件加工精度目的的方法。误差补偿法需要投入的费用很小,误差补偿技术是提高机床加工精度的经济和有效的手段,其工程意义特别显著。误差补偿技术（ Error Compensation Technique ,简称 ECT）是由于科学技术的不断进展对机械制造业提出的加工精度要求越来越高、随着精密工程进展水平的日益提高而显现并进展起来的一门新兴技术。误差补偿技术具有两个主要特性：科学性和工程性。1. 机床误差补偿技术可分为下面七个基本内容：

3、1 误差及误差源分析。2 误差运动综合数学模型的建立。3 误差检测。4 温度测点挑选和优化布置技术。5 误差元素建模技术。6 误差补偿掌握系统及实施。7 误差补偿实施的成效检验。2. 数控机床误差补偿的步骤：1 误差源的分析和检测。2 误差综合数学模型的建立。3 误差元素的辨识和建模。4 误差补偿的执行。5 误差补偿成效的评判。3. 数控机床误差补偿技术讨论的现状：1 过长的机床特性检测和辨识时间。2 温度测点布置位置优化。3 误差补偿模型的鲁棒性。4 误差补偿系统及实施。5 五轴数控机床多误差实时补偿问题。4. 数控机床误差补偿技术讨论的进展趋势：1 多误差高效检测方法。可编辑资料 - -

4、- 欢迎下载精品名师归纳总结2 多误差的综合补偿。3 多轴误差的实时补偿。4 实时补偿掌握系统的网络化、群控化。5 补偿的智能化与开放化。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一、误差的概念第 2 章 数控机床误差及其形成机理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1. 机床误差机床工作台或刀具在运动中,抱负位置和实际位置的差异（机床误差位置误差）,或就称机床位置误差。机床精度-机床工作台或刀具在运动中,抱负位置和实际位置的相符程度。2. 加工误差由刀具与工件相对运动中的非期望重量引起的。3. 运动误差 -机床运动元件（如刀具与工件）之间的相对运动所造成的误差。4. 机床几何

5、误差 -是指机床上零、部件的制造与安装过程中因几何尺寸、位置等产生的偏差,造成机床上某些零件位置产生偏差,从而使得机床在刀具和工件相对运动中产生位置误差,最终表现在 机床的加工精度上。运动误差-机床运动元件（如刀具与工件）之间的相对运动所造成的误差。5. 热（变形）误差 -机床温度变化引起变形造成的机床零件间相对位置及外形等误差。6. 力（变形）误差 -机床受力（包括切削力、工件和夹具重力、装夹力,机床部件本身重力,等等） 引起变形造成的机床零件间相对位置及外形等误差,也称刚度误差。7. 加工误差由刀具与工件相对运动中的非期望重量引起的。二、误差的分类1. 分类一：静态误差、准静态误差、动态误

6、差、高频误差2. 分类二：位置误差、非位置误差三、数控机床几何误差元素1. 移动副误差元素分析依据一个物体在空间运动有六个自由度,故机床移动部件在导轨上移动时共有6 项误差,其中包括 3 项移动误差和3 项转动误差,同时仍存在3 个垂直度误差。21 Error ComponentsZ-AXISVerticalStraightnesszyPitchxyYawzyRollyyHorizontalStraightnessxyX-ZY-ZX-AXI SY -A X ISLinearDisplacementyyX-Y SquarenessSxy2. 转动副误差元素分析转动副绕转轴转动时存在六个误差元素,

7、包括三个移动误差和三个转角误差。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3. 主轴误差元素机床主轴旋转时存在五个误差元素,包括三个移动误差和两个转角误差。四、机床热变形机理金属材料具有热胀冷缩的特性,当机床处于工作状态时,由于机床运动部件产生摩擦热、切削热以及外部热源等引起工艺系统变形,这种变形成为热变形。五、机床热变形外形及计策一 机床热变外形况1、 一般车床的主轴箱温度高,其右边温度高于左边,主轴轴线被抬高并右高左低的倾斜。床身温度上高下低,故弯曲而中凸。2、 升降台铣床的主轴处温高,机床中部温高,故主轴被抬高并倾斜,立柱外翻。工作台温度上高下低,故弯曲而中凸。3、 卧式磨床主轴箱

8、右侧处温高,故主轴向内倾斜。4、 立式磨床的立柱左侧温高,主轴被抬高并倾斜,立柱外翻。5、 龙刨或龙门铣的主轴右侧及床身上部温度高,故立柱向外倾斜,床身向上弯曲。二 掌握机床热变形的计策1、 优化机床设计,减小热变形2、 强制冷却,掌握机床温升3、 设置帮助热源4、 补偿技术5、 掌握温度环境第 3 章 机床误差综合数学模型可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一、机床误差综合数学模型建模的具体步骤：1、 建立坐标系2、 建立误差转换矩阵3、 建立刀具坐标系和工件坐标系之间的关系二、机床误差综合模型的建模方法：1、 设定坐标系2、 误差运动转换矩阵3、 TXYZ型加工中心的综合数学模

9、型可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一、机床误差检测技术第 4 章 机床误差检测技术可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结检测机床几何精度传统的常用检测工具有：精密水平仪、直角尺、平尺、平行光管、千分表或测微仪和高精度主轴芯棒等。二、温度测点布置技术一 温度测点的挑选在机床热误差的补偿中,温度测点的布置是关键和难点。挑选适当的温度测点不但能削减用于建模的测点数目,简化建模过程和热误差模型,而且仍可提高机床热误差模型的精度。在几乎全部应用的热误差补偿系统中, 温度测点位置的确定在肯定程度上是依据体会进行试凑的过程,我们称试凑法。它通常是先基于工程判定,在机床的不同位置安装

10、大量的温度传感器,再采纳统计相关分析来选出少量的温度传感器用于误差重量的建模。具体步骤如下框图：二 温度测点布置策略1、 主因素策略主因素策略的意思是用于热误差建模的各温度测点数据Tij应与热误差数据Ej 有肯定的联系, 即具有肯定的相关性,用数学式子表达为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其中： i=1, 2, ., m, m 为温度测点数。j=1, 2, ., n, n 为测量数据个数。2、 能观测性策略能观测性策略是指所选温度点的温度信号能否具有肯定精度的表达机床热误差。对于机床热动态过程, 一般有：TATBQ LCTD Q其中 T 为机床温度矩阵,L 为热误差（输出）矩

11、阵,Q 为热源（输入）矩阵, A、B、 C、D 分别为常数矩阵。状态完全能观测（即温度T 能表达热误差 L）的充分必要条件是其能观测性矩阵G = CT ATCT AT n-1 CT满秩。由此可得以下结论：(1) 可观测性条件或温度对于热误差的表达与温度传感器在机床上的位置紧密有关。(2) 只要布置合适,少量的温度测点也能表达热误差。(3) 为了保证可观测性或用温度表达热误差,温度传感器应防止布置在特点函数的零点位置上。第 5 章 机床误差元素建模技术数控机床的误差因素有许多 ,其中几何误差和热误差是影响数控机床精度的主要误差因素 .一般情形下 ,几何误差和热误差混杂 ,给建模造成肯定的难度。由

12、于几何误差和坐标误差与坐标位置有关,热误差与温度有关,而实际检测到的误差是几何误差和热误差的复合误差,因此可把以上误差分为仅与机床坐标位置有关的几何误差因素、 仅与机床温度有关的热误差因素、 与机床温度和位置坐标都有关的复合误差因素三类。机床误差元素建模技术1、 仅与机床温度有关的热误差元素建模由于机床热误差在很大程度上取决于诸如加工条件、加工周期、冷却液的使用以及四周环境等等多种因素,而且机床热误差出现非线性及交互作用,所以仅用理论分析来精确建立热误差数学模型是相当困难的。最为常用的热误差建模方法为试验建模法,即依据统计理论对热误差数据和机床温度值作相关分析用最小二乘原理进行拟合建模。(1)

13、 最小二乘建模(2) 神经网络建模(3) 模糊理论建模(4) 正交试验设计建模(5) 综合最小二乘建模(6) 递推最小二乘建模可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2、 仅与机床坐标有关的几何误差元素建模依据刚体假设,可使用机床运动轴位置坐标的多项式模型对某些几何误差院元素进行拟合,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结即： 其中：Egp = a0 + a1p + a2p2 + . p 为 p 轴的位置坐标, p 是 x、y 或 z。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结应用多项式拟合法的原理建模。3、 与机床温度和坐标有关的误差元素建模可编辑资料 - - - 欢

14、迎下载精品名师归纳总结一、补偿掌握方式第 6 章 补偿掌握系统可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结误差补偿实施是移动刀具或工件使刀具和工件之间在机床空间误差的逆方向上产生一个大小与误差接近的相对运动而实现的。机床误差补偿掌握方式一般可分为以下三种：闭环反馈补偿掌握方式、开环前馈补偿掌握方式和半闭环前馈补偿掌握方式。1、 闭环（反馈）补偿掌握方式闭环反馈补偿掌握在机械加工过程中直接补偿实际测量值和理论值之间的误差。2、 开环（前馈）补偿掌握方式开环前馈补偿掌握利用预先求得的加工误差数学模型,猜测误差而进行补偿。3、 半闭环（前馈）补偿掌握方式半闭环前馈补偿掌握挑选几个比较简单检测,又

15、能表征系统状态、环境条件的参量作为误差数学模型的变量,建立加工误差和这些参量的并反映规律的关系式。比较以上三种补偿系统,闭环反馈补偿掌握系统的优点是补偿精度最高,而缺点是系统制造成本也最高。开环前馈补偿掌握系统的优点是系统制造成本最低,而补偿精度也最低。半闭环前馈补偿掌握系统的功能与价格比正确,故依据我国的具体情形,以经济、技术、有用和精度等综合考虑,选用半闭环前馈补偿掌握系统是相对最优的掌握方式。二、误差补偿掌握系统的补偿实施策略在早期的误差补偿讨论中,误差是通过离线修改数控代码而实现的。该方法相当耗时,且假定离线辨识的误差在实际加工中保持相同。近年来,开发了两种不同的策略来实施误差补偿：反

16、馈中断策略、原点平移策略。1、 反馈中断策略反馈中断策略是将相位信号插入伺服系统的反馈环中而实现的。补偿用运算机猎取编码器的反馈信号, 同时,该运算机仍依据误差运动综合数学模型运算机床的空间误差,且将等同于空间误差的脉冲信号与编 码器信号相加减。伺服系统据此实时调剂机床拖板的位置。该技术的优点是无需转变CNC掌握软件,可用于任何CNC机床,包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号 CNC 机床。然而,该技术需要特殊的电子装置将相位信号插入伺服环中。这种插入有时是特别复杂的,需要特殊当心,以免插入信号与机床本身的反馈信号相干涉。2、 原点平移策略补偿用运算机运算机床的空间误差,这些误差量作为补

17、偿信号送至CNC 掌握器,通过 I/O 口平移掌握系统的参考原点,并加到伺服环的掌握信号中以实现误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值,也不影响CNC 掌握器上执行的工件程序,因而,对操作者而言,该方法是不行见的。原点平移法不用转变任何CNC 机床的硬件,但它需要转变CNC 掌握器中的可编程掌握器（PLC）单元,以便在 CNC端可以接收补偿值。这种转变在老型号的CNC掌握器中或许是不行能的。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第 7 章 车削中心热误差实时补偿应用实例一、车削中心热误差实时补偿应用实例1、 问题的提出随着加工进行,机床温度上升,机床各部件产生热变形,由此使得刀具与工件

18、的相对位置变化而造成工件尺寸的变化。2、 温度场、热误差的检测和分析(1) 温度传感器布置及试验系统的建立(2) 热误差测量试验(3) 一系列影响热误差的单因素试验3、 热误差模态分析4、 热误差建模5、 补偿掌握系统及补偿成效检验二、数控双主轴车床几何误差和热误差综合实时补偿应用1、 几何和热误差综合数学模型的简化2、 误差元素检测和建模(1) 温度传感器的布置(2) 与机床拖板位置有关误差元素的检测和建模(3) 与机床拖板位置无关误差元素的检测和建模3、 误差补偿系统4、 误差补偿成效检验(1) 主轴热漂误差检验(2) 对角斜线检验(3) 实际补偿切削成效检验学习心得体会在提高机床加工精度

19、有两种基本方法中,误差防止法是靠提高机床设计、制造和安装精度,即通过提高机床本书的精度来满意机械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于机床精度,因此该方法存在很大的局限性,并且经济上的代价也很昂贵。误差补偿法是认为的造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差,以达到减小加工误差,提高零件加工精度目的的方法。误差补偿法需要投入的费用很小,误差补偿技术是提高机床加工精度的经济和有效的手段,其工程意义特别显著。所以,误差补偿技术必定成为提高机床加工精度的最重要方法,成为讨论的前沿和主流。我们通过本课程对误差补偿技术进行学习特别有必要,为进一步的学习讨论打好基础。通过对本课程的学习及对该课本的研读,我明白到了误差补偿技术的基本原理及其讨论的历史、现状和进展状况。把握了数控机床的误差及其形成机理。学习了机床误差综合数学模型的建立。把握了机床误差检测技术和误差元素的建模技术。学习了数控机床误差实时补偿技术,同时明白了它的一些应用实例。除此之外,老师在试验室也给我们演示了机床误差的产生、测量和补偿等等。可以说,通过对本课程的学习,我在数控机床误差补偿技术方面具备肯定的基础和实践才能,对以后的深化学习讨论有很大的帮忙。同时,我诚心感谢老师具体的讲解和指导！可编辑资料 - - - 欢迎下载