误差补偿技术及其应用哈工大

垂度补偿/交叉轴补偿
坐标轴间的补偿，每对基础轴和补偿轴一个补偿文件，可用于双向螺补
跟随误差补偿
速度前馈，转矩前馈，在三环优化的基础上，通过修改相应机床参数来实现
摩擦/过象限补偿
静摩擦大于动摩擦，坐标轴过象限尖角，给速度环输入附加脉冲，手动/神经网络调整方法
Siemens VCS（Volumetric Compensation System）/ Fanuc 3D Compensation
振动误差
其它误差...
轮廓误差
重载变形误差
·机床重载负荷变形 ·重心变化
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
多体系统理论
几何误差模型
第 8页
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
几何误差检测与辨识实验
z
“9线法”辨识的测量数 据
5
2
7
8
9
O(0, 0, 0)
4
3
1
y
九线法的测量 原理示意图
检测与验证大惯量移动部件伺服驱动动态误差；
第14页
4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
UG三维模型 ADAMS机构模型
仿真分析模型及结果
修改模型参数
Simulink建立控制子 系统
构建基于ADAMS、Simulink的数控机床联合动力学仿真模 型
输入仿真系统的参数 并仿真
系统建模与仿真总体结构流程图
补偿前 反向 正向
0 h. 0.9 h. 1.8 h. 2.5 h. 3.4 h. 4.2 h. 5.0 h. 5.9 h.
补偿后 反向 正向
0.0 h. 0.2 h. 0.8 h. 1.5 h. 2.2 h. 3.0 h. 3.5 h. 4.2 h.
0.0 h. 0.2 h. 0.8 h. 1.5 h. 2.2 h. 3.0 h. 3.5 h. 4.2 h.
热膨胀系数： 因瓦合金：1.2×10-6/℃ HT300： 11.5×10-6/℃
申 请 专 利
第28页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
应用于成飞公司的TH6920
国家机床质量监督检验中心的检测结果： 补偿前：滑枕热伸长0.16mm，1.2m行程 (6小时） 补偿后：滑枕热伸长0.03mm，1.2m行程(6小时）
铂电阻温度传感器Pt100； 电压输出型温度变送器STWB-X100T； USB2015型号的数据采集卡 。
误差综合补偿系统原理
3、第三手轮在西门子840D PL系统中的应用
Simodrive 611D驱动的编码器接口 （X412 或者X411） MD 11342=4 ；MD11344=1 ； MD30130=1 ；MD30240[0]=1 ； MD1004 = 2000H DB3X.DBX4.2 ；DB3X.DBX64.2
第34页
4.5 动态综合误差补偿系统集成技术
方案一：手轮干预功能进行补偿（针对现有重型机床）
1、机床坐标位置的实时获取
DB用户接口 DB内部接口 用户程序
CP通讯处理卡 5411/5511/5611
DRF接口 坐标位置 补偿脉冲 综合补 偿系统 输出 光耦、差 分电路 误差综合 数学模型 几何误差、热误 差元素计算 输入 温度 A/D采集板 几何误差 热误差 误差辨识 误差元素数据库
数字点位非线性补偿系统
滑枕倾斜补偿前后曲线图
4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
立柱前倾补偿原理
第32页
4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
应用于大连一重定制的TKC-1
第33页
4.5 动态综合误差补偿系统集成技术 方案一：手轮干预功能进行补偿（针对现有重型机床）
方案二：利用西门子840D系统的温度补偿模块（针对新出厂重型机床）
第 5页
4 本课题的主要研究内容
大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术 典型机床结构热变形误差建模与预测技术技术 重载负荷变形误差建模与补偿技术
动态综合误差补偿系统集成技术
第 6页
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
重型数控机床主要误差源及其影响因素
定位误差 X向直线度误差 Z向直线度误差
冷机
7小时后
0.02mm 0.25mm 0.02mm 0.41mm 0.03mm 0.25mm
y 轴 x 向 直 线 度 误 差
y 轴 z 向 直 线 度 误 差
第23页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时； 机床型号：TH6920
调整后 0.0760mm 0.0460mm 0.0710mm
149厂实验结果
X Y
W 1.1970mm
第18页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
建模流程
①提高新机床精度
②提升老机床精度
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
温度传感器的布 置
第பைடு நூலகம்0页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
·设计、加工、装配 ·滚珠丝杠螺距误差 ·部件的结构和精度 ·部件间的相对运动 ·工件材质 ·切削力变形 ·动刚度不足 ·其它外部因素 ·运动质量大 ·惯性滞后大 ·伺服轴不同步
几何误差 机 床 的 综 合 误 差
热变形误差
·滑枕、镗杆热膨胀 ·丝杠热膨胀 ·立柱热变形 ·机床结构热变形 ·插补误差 ·工件的装夹 ·湿度、气流 ·检测设备
149厂应用效 果
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4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
149厂应用效果
经过误差补偿技术的应用，使得上海航天设备制造总厂购买的落 地铣镗床的精度得到恢复和提高，能够加工神州系列的关键零件。
第13页
4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
建立动力学模型与动态跟踪误差模型；
4.5 动态综合误差补偿系统集成技术 硬 件 系 统
补偿后 反向 正向
0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12 -0.14 -0.16 -0.18 -0.20 -0.22 -0.24 -0.26 -4400 -4000 -3600 -3200 -2800 -2400 -2000 -1600 -1200 -800 -400 0
4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
滑枕下垂变形有限元分 析
第30页
4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
研制了主轴组件变形误差自动补偿装 置 液压补偿：
拉紧缸
钢丝绳
静压油膜
控制器
数字电液比例溢流阀
滑枕行程(mm) 补偿后最大值0.02mm 补偿前最大值0.25mm 滑枕倾斜量(mm)
测量各温度传感器的温度变化曲线
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时； 机床型号：TH6920
X 轴 定 位 误 差
X轴
定位误差 Y向直线度误差 Z向直线度误差
冷机
0.25mm 0.02mm 0.06mm
基本程序
ISA总线 PCI总线
VDI译码 外部通讯 NC功能
工件加 工程序
CNC控制器 输入 输出
机床 温度传感器
PC机
840D数控系统 PLC NCK
激光测量
COM接口 USB接口
P总线 K总线 PC 适配器 MPI OPI COM模块
操作系统 MCP
（PC与PLC及NCK通信的连接方式）
2、关键点温度的采集
重型数控机床误差补偿技术的研究与应用
第 1页
提 纲
一、课题的研究背景
二、现有数控系统误差补偿功能 三、重型数控机床误差补偿的主要难点 四、本课题的主要研究内容
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1 研究背景
滑枕热变形严重——进给 方向 导轨静压油温升明显造成 热变形
开式结构、较大运 动空间造成几何误 差明显
立柱热倾斜误差明显
Y (mm)
Y (mm)
补偿前后立柱倾斜X向误差对比 补偿率：71%
补偿前后立柱倾斜Z向误差对比 补偿率：64%
第27页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
滑枕热伸长检测与补偿
A B 1
A 8 7 6
B 5
B B
4
3
2
A
A
1-滑枕； 2-嵌入式补偿器； 3-位移传感器； 4-位移传感器测头； 5-尾部滑动支撑架； 6-中部滑动支撑架； 7-标准杆； 8-刚性连接架 。
3 重型数控机床误差补偿的主要难点
1 机床大尺寸空间内几何误差的检测问题 结构尺寸大、行程大 载荷重 运动环节多 大范围小误差 检测 误差产生因素多 2 机床大尺寸空间内几何误差的建模问题 预测精度 计算效率 3 重型数控机床热误差的检测与建模问题 滑枕定位误差明显； 检测-辨识-分离-建模 4 重型数控机床移动部件质量大 载荷变形 伺服误差 5 重型数控机床误差补偿实现策略问题 国外系统相对封闭 补偿模块如何集成到CNC系统
实验验证
N
结果满意？ Y 输出结果
ADAMS模型
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
仿真与实验结果对比
直线插 补
第16页
4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
仿真与实验结果对比
圆弧插补
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
跟随 误差
调整前 1.2030mm 1.1970mm
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差建模
多元线性回归建模
模型残差±10μm 预测精度在X、Y、Z向分别为82.9﹪、84.2﹪、95.6﹪
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
立柱热倾斜误差补偿
0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
补偿前 反向 正向
0.06
x
6
激光跟踪 仪测量
多维激光干 涉仪测量
第 9页
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
几何误差检测与辨识实验
误差辨识模型
21项几何误差辨识结果
第10页
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
几何误差模型验证实验
预测误差场
误差计算值与测量值比较
第11页
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
7小时后
0.55mm 0.11mm 0.3mm
X 轴 y 向 直 线 度 误 差
X 轴 z 向 直 线 度 误 差
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时； 机床型号：TH6920
y 轴 定 位 误 差
Y轴
第 3页
2. 现有数控系统误差补偿功能
反向间隙补偿
坐标轴/主轴换向误差，西门子840D中MD32450
螺距误差补偿
滚珠丝杠制造工艺不理想，线性补偿，数据文件，按轴补偿，各轴互不影响，无方向性
温度补偿
补偿温度变化导致的机械变形，两次线性假设，MD32750，SD43900，SD43910，SD43920
dX (mm)
dW (mm)
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20 -0.25 -0.30 -4400 -4000 -3600 -3200 -2800 -2400 -2000 -1600 -1200 -800 -400 0
0 h. 0.9 h. 1.8 h. 2.5 h. 3.4 h. 4.2 h. 5.0 h. 5.9 h.
几何误差——开放式结 构、运动空间大； 热误差——载荷重、功 率大、运动空间大、运 动部件质量大；
2009年国家科技重大专项“高档数控机床及基础制造装备”公开指南就支持了 共性技术-动态综合补偿技术（课题33），共支持了6个误差补偿的课题，主要针对 高精度机床、高速机床、多轴数控机床、重型数控机床等几个方面。哈工大、齐二 机床厂、上海航天149厂共同承担。2013年“黑龙江省应用技术研究与开发计划项 目”又支持该项目的成果在企业进行应用。
W 轴 定 位 误 差
W轴
定位误差
冷机 0.05mm
7小时后 0.28mm
X向直线度误差
Y向直线度误差
0.01mm
0.02mm
0.32mm
0.11mm
W 轴 Y 向 直 线 度 误 差
W 轴 X 向 直 线 度 误 差
第24页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热关键点优化选 择
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美国API公司：XD Laser SELFCOMP Solution for与Siemens Sinumerik 840D 英国Renishaw公司：RVC-Siemens 和 RVC-Fanuc
VEC（Volumetric Compensation System）
美国国家制造科学中心，VALMT联合行动（API、Boeing、Siemens、Mag Cincinnati） 第 4页