数控机床误差与补偿概述

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equ

2、ipment Technology,*,1,第八章 数控机床误差与补偿,8.1,概述,8.2,几何误差补偿,8.3,热误差补偿,8.4,间隙误差补偿,8.5,摩擦误差补偿,8.6,伺服参数优化,2,8.1,概述,8.2,几何误差补偿,8.3,热误差补偿,8.4,间隙误差补偿,8.5,摩擦误差补偿,8.6,伺服参数优化,精度是机床的基础，提高数控机床的精度首先是提高机床各部件的机械精度和动态性能，但机械精度提高到一定程度后就很难再提高了，或者成本太高难以应用。,通过,数控系统对误差进行补偿,是有效的途径，使用误差补偿技术可以很小的代价获得“硬技术难以达到的精度水平和动态性能。,8.1,概述,一、

3、机床误差的分类,机床误差包括,几何误差、间隙误差、热误差、摩擦误差和动态误差,五类。,按误差产生原因分类,上述误差按误差产生原因分类：,几何误差和间隙误差,属于,机床本体误差,，,热误差、摩擦误差和动态误差,属于,机床运行误差,。,按误差的性质分类,上述误差按误差的性质分类：,几何误差,属于,静态误差,，,热误差,属于,准静态误差,，,摩擦误差和动态误差,属于,动态误差,，,间隙误差,虽然属于机械系统误差，但其在机床运行时表现出来，比较特殊。,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,

4、1,、几何误差和热误差补偿原理,几何误差和热误差属于静态或准静态误差，因此可通过修正插补指令来实现，方法为：,二、误差补偿原理,几何误差,补偿模块,伺服,驱动,dCurCmdPos,dGerErrData,dTmpErrData,dRealCmdPos,总线,接口,CNC,插补指令,位置,热误差,补偿模块,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,2,、间隙和摩擦误差补偿原理,由于间隙和摩擦误差宏观表现和补偿过程有很多相似之处，故经常放在一起。,数字控制及装备技术研究所,Institu

5、te of Numerical Control And Equipment Technology,8.1,概述,3,、动态误差补偿原理,动态误差的产生是机床运行时，由于伺服系统控制参数不合理或机械系统扰动造成的，因此补偿必须通过,伺服参数优化,来解决，伺服参数包括位置和速度前馈参数，位置环、速度环和电流环控制参数，以及速度和电流滤波参数等。,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,伺服参数不合理造成的的误差,伺服参数优化后结果,8.1,概述,8,8.1,概述,8.2,几何误差补偿,8.3,热误差补

6、偿,8.4,间隙误差补偿,8.5,摩擦误差补偿,8.6,伺服参数优化,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、几何误差分析与建模,按几何误差的类型分类,移动误差,定位误差，水平直线度,垂直直线度,转动误差,滚转误差，俯仰误差，偏摆误差,任一物体在空间中都具有,六个自由度,，即沿空间坐标轴,X,、,Y,、,Z,直线方向的,移动自由度,和绕这三个坐标轴的,转动自由度,。,以,X,轴为例，移动误差包括水平直线度误差，垂直直线度和定位误差，转动误差包括滚转误差，俯仰误差和偏摆误差。,8.2,几何误差补

7、偿,几何误差分析,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1,）沿,X,轴移动时，,线性位移误差,x(x),、,Y,向直线度误差,y(x),、,Z,向直线度误差,z(x),、滚转误差,x(x),、偏摆误差,y(x),和俯仰误差,z(x),；,2,）沿,Y,轴移动与沿,Z,轴移动同理，因此,X,、,Y,、,Z,三个线性轴共有,18,项误差,3,）,3,轴之间的垂直度误差,xy,、,zx,、,yz,几何误差分析,三个线性轴共,21,项误差,8.2,几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institu

8、te of Numerical Control And Equipment Technology,2.,几何综合误差建模,首先根据机床结构类型，建立机床坐标系和各运动部件坐标系。,然后运用,齐次坐标变换方法,，计算得到机床的,几何综合误差模型：,8.2,几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,根据,矢量变换原理,，将几何综合误差模型分解到各个轴上。,轴向几何误差,主要是,定位误差。,轴间几何误差,主要是,垂直度误差,。,2.,几何综合误差建模,轴向误差,轴间误差,8.2,几何误差补偿

9、,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1,、螺距,/,光栅误差,对于螺距测量，将测量行程平均分为,N,个点，然后激光干涉仪运动到第,n,个点，获得此点的正方向误差，并在该点,多次测量,求,误差平均值,，形成,双向误差补偿,数据。,二、几何误差测量,8.2,几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2,、轴向、轴间误差测量,右图是对角线法测量原理图。,测量,3,组对角线，解方程组，可得到

10、所需的补偿值：,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),。,利用激光干涉仪测量机床各个轴的,21,项几何误差项，再经过转换形成单轴误差补偿数据和轴关系误差补偿数据。,8.2,几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,首先利用测量得到的数据建立补偿表文件,(,文本文件,),，系统启动时将补偿表文件读入数控系统，建立补偿数组。机床返回参考点后，利用,查表,+,线性插值,等方

11、法，在每个插补周期对插补指令进行修正。,文件格式：基准轴、补偿轴、初始位置、终点位置、补偿点距离、补偿点的补偿值；,文件可包含多个补偿数组，同一个基准轴可补偿多个补偿轴,三、几何误差补偿,8.2,几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,几何误差补偿方法原理图,8.2,几何误差补偿,17,8.1,概述,8.2,几何误差补偿,8.3,热误差补偿,8.4,间隙误差补偿,8.5,摩擦误差补偿,8.6,伺服参数优化,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Con

12、trol And Equipment Technology,8.3,热误差补偿,一、热误差的分类,1,、按热误差的表现分类,平移型热误差,x,y,扭转型热误差,平移型热误差可以通过误差补偿消除,扭转型热误差不可以通过误差补偿消除,因此，在机床设计时总是希望通过热均衡结构设计，使得热误差方向一致，不会发生扭转型热误差,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、热误差的分类,2,、按热误差发生的部位分类,主轴系统热误差,z,进给系统热误差,主轴系统热误差与工作台位置无关，只与温度相关,进给系统热误差

13、除了与温度相关之外，还与工作台的当前位置相关,因此，需要根据不同的热误差形式进行补偿,x,8.3,热误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,二、热误差的测量,1,、主轴热变形的测量,主轴系统热误差测量,z,首先在主轴表面布置多个温度传感器,在主轴端面布置,非接触式位移传感器,，让主轴连续运行，同时采集各温度传感器温度信号和位移传感器位移信号,温度传感器,位移传感器,在主轴端面布置,接触式位移传感器,，让主轴连续运行一段时间后，记录一次各温度传感器数据，测量一次热变形。,8.3,热误差补偿

14、,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3,热误差补偿,二、热误差的测量,2,、进给轴热变形的测量,进给系统热误差测量,x,温度传感器,温度传感器,温度传感器,首先在丝杠,两端轴承,和,螺母副,处布置温度传感器,让机床工作运动一段时间，采用光栅或激光干涉仪测量,进给轴某位置处,的定位误差,三、热误差建模,通过热误差测量可得到多个测温点的温度值和热误差值，由于测温点比较多，所以需要对测温点进行优化，找出,热敏感点,，然后用线性回归的方法建立,误差值与热敏感点,之间的函数关系。,模糊聚类方法优化

15、测温点,8.3,热误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,四、热误差补偿方法,指令位置,显示位置,电机指令位置,运动控制,K0,、,tan,、,P,0,位置反馈,+,-,选择开关,RS232,PLC,温度采集,独立,补偿装置,热误差补偿模块结构框图,8.3,热误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,五、热误差补偿实验,热误差补偿现场,0-4,通道测温点数据和主轴热误差数据,热误差补

16、偿结果,Z=-82.0940-0.5159T1-0.3879T3+6.4780T9,8.3,热误差补偿,25,8.1,概述,8.2,几何误差补偿,8.3,热误差补偿,8.4,间隙误差补偿,8.5,摩擦误差补偿,8.6,伺服参数优化,一、间隙产生原因及影响,产生原因：,机床滚珠丝杠与螺母副之间存在间隙，不能紧密接触，产生轴窜动。,随着机床的使用，磨损逐渐加剧，产生间隙。,影响：,工作台反向运动时电机空转而工作台并不运动，造成,D/2,的定位误差，影响机床精度,间隙过大时，动态响应特性变差,发生振荡,解决方案：,采用高精度的滚珠丝杠,安装丝杠时进行预紧,用数控系统指令补偿间隙,8.4,间隙误差补偿,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,无间隙,二、间隙误差的测量,根据光栅反馈值与位置指令之差，测得机床反向间隙误差,D,反向间隙测量,根据激光干涉仪测得的机床实际位置与位置指令之差，测得机床反向间隙误差,D,数字控制及装备技术研究所,Institute of Numerical Control