數控機床誤差與補償概述

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Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,*,1,第八章數控機床誤差與補償,8.1,概述,8.2,幾何誤差補償,8.3,熱誤差補償,8.4,間隙誤差補償,8.5,摩擦誤差補償,8.6,伺服參數優(yōu)化,2,8.1,概述,8.2,幾何誤差補償,8.3,熱誤差補償,8.4,間隙誤差補償,8.5,摩擦誤差補償,8.6,伺服參數優(yōu)化,精度是機床的基礎，提高數控機床的精度首先是提高機床各部件的機械精度和動態(tài)性能，但機械精度提高到一定程度后就很難再提高了，或者成本太高難以應用。

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

數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,3,、動態(tài)誤差補償原理,動態(tài)誤差的產生是機床運行時，由于伺服系統(tǒng)控制參數不合理或機械系統(tǒng)擾動造成的，因此補償必須通過,伺服參數優(yōu)化,來解決，伺服參數包括位置和速度前饋參數，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制參數，以及速度和電流濾波參數等數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,伺服參數不合理造成的的誤差,伺服參數優(yōu)化后結果,8.1,概述,8,8.1,概述,8.2,幾何誤差補償,8.3,熱誤差補償,8.4,間隙誤差補償,8.5,摩擦誤差補償,8.6,伺服參數優(yōu)化,數字控制及裝備技術研究所,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,轉動誤差,滾轉誤差，俯仰誤差，偏擺誤差,任一物體在空間中都具有,六個自由度,，即沿空間坐標軸,X,、,Y,、,Z,直線方向的,移動自由度,和繞這三個坐標軸的,轉動自由度,。

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，轉動誤差包括滾轉誤差，俯仰誤差和偏擺誤差8.2,幾何誤差補償,幾何誤差分析,數字控制及裝備技術研究所,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,幾何誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2.,幾何綜合誤差建模,首先根據機床結構類型，建立機床坐標系和各運動部件坐標系然后運用,齊次坐標變換方法,，計算得到機床的,幾何綜合誤差模型：,8.2,幾何誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,根據,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,幾何誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,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,雙向誤差補償,數據二、幾何誤差測量,8.2,幾何誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,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床各個軸的,21,項幾何誤差項，再經過轉換形成單軸誤差補償數據和軸關系誤差補償數據8.2,幾何誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,首先利用測量得到的數據建立補償表文件,(,文本文件,),，系統(tǒng)啟動時將補償表文件讀入數控系統(tǒng)，建立補償數組。

機床返回參考點后，利用,查表,+,線性插值,等方法，在每個插補周期對插補指令進行修正文件格式：基準軸、補償軸、初始位置、終點位置、補償點距離、補償點的補償值；,文件可包含多個補償數組，同一個基準軸可補償多個補償軸,三、幾何誤差補償,8.2,幾何誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,幾何誤差補償方法原理圖,8.2,幾何誤差補償,17,8.1,概述,8.2,幾何誤差補償,8.3,熱誤差補償,8.4,間隙誤差補償,8.5,摩擦誤差補償,8.6,伺服參數優(yōu)化,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3,熱誤差補償,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,扭轉型熱誤差,平移型熱誤差可以通過誤差補償消除,扭轉型熱誤差不可以通過誤差補償消除,因此，在機床設計時總是希望通過熱均衡結構設計，使得熱誤差方向一致，不會發(fā)生扭轉型熱誤差,數字控制及裝備技術研究所,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,進給系統(tǒng)熱誤差,主軸系統(tǒng)熱誤差與工作臺位置無關，只與溫度相關,進給系統(tǒng)熱誤差除了與溫度相關之外，還與工作臺的當前位置相關,因此，需要根據不同的熱誤差形式進行補償,x,8.3,熱誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,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據，測量一次熱變形。

8.3,熱誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3,熱誤差補償,二、熱誤差的測量,2,、進給軸熱變形的測量,進給系統(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,讓機床工作運動一段時間，采用光柵或激光干涉儀測量,進給軸某位置處,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,之間的函數關系模糊聚類方法優(yōu)化測溫點,8.3,熱誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,四、熱誤差補償方法,指令位置,顯示位置,電機指令位置,運動控制,K0,、,tan,、,P,0,位置反饋,+,-,選擇開關,RS232,PLC,溫度采集,獨立,補償裝置,熱誤差補償模塊結構框圖,8.3,熱誤差補償,數字控制及裝備技術研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,五、熱誤差補償實驗,熱誤差補償現(xiàn)場,0-4,通道測溫點數據和主軸熱誤差數據,熱誤差補償結果,Z=-82.0940-0.5159T1-0.3879T3+6.4780T9,8.3,熱誤差補償,25,8.1,概述,8.2,幾何誤差補償,8.3,熱誤差補償,8.4,間隙誤差補償,8.5,摩擦誤差補償,8.6,伺服參數優(yōu)化,一、間隙產生原因及影響,產生原因：,機床滾珠絲杠與螺母副之間存在間隙，不能緊密接觸，產生軸竄動。

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

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