在线检测与误差补偿技术(精密加工)

第1节 概述 三、误差补偿技术
2.误差补偿的类型
（3）单项与综合误差补偿 综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差补 偿要复杂，但效率高、效果好。 （4）单维与多维误差补偿 多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，难度和 工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿技 术。
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第1节 概述 三、误差补偿技术
计算机控制系统
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误差补偿系统组成示意图 1－误差信号检测 2－误差信号处理 3－误差信号建模 4－补偿控制 5－补偿执行机构
第1节 概述 三、误差补偿技术
5.误差补偿技术的发展 1）预报型补偿
预报补偿控制（Fore－casting Compensatory Control－FCC）技术， 利用在线随机建模理论、先进的传感技术、计算机技术、 微位移技术等，对误差进行建模和预报，对动态误差进 行实时补偿。 2）综合型补偿 对工件尺寸、形状和位臵误差同时进行综合补偿，其中 包括对尺寸、形状和位臵一种误差中的多项误差进行综 合补偿。
2.在位检测
工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进行检 测。可避免离线检测由于定位基准所带来的误差。
3.在线检测（主动检测或动态检测）
工件在加工过程中的同时进行检测。能反应实际加工情 况，难度较大。
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第1节 概述 二、加工精度的检测
在线检测特点
1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差 分布和发展； 2）检测结果能反映实际加工情况； 3）在线检测的难度较大；
3.误差补偿过程
1）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找出影 响误差的主要因素，确定误差项目。
2）进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离不需 要的误差信号，找出工件加工误差与在补偿点的补 偿量之间的关系，建立相应的数学模型。 3）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构， 以便在补偿点实现补偿运动。 4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达 到预期要求。
i 采样点序号
i 采样点角度位置
若整个检测装臵的检测重复性好，则 可得
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M 1 ( i ) M 2 ( i ) M ( i )
S ( i ) V1 ( i ) V2 ( i ) / 2
M ( i ) V1 ( i ) V2 ( i ) / 2
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第1节 概述 三、误差补偿技术
4.误差补偿系统的组成
1）误差信号的检测 2）误差信号的处理 3）误差信号的建模 建模是找出工件加工误差与 在补偿作用点上补偿控制量 之间的关系。 4）补偿控制 根据所建立的误差模型和实 际加工过程，用计算机计算 欲补偿的误差值，输出补偿 控制量。 5）补偿执行机构 补偿执行机构多用微进给机 2013-8-10 构完成。
等式4和5右边虽相等，但实测数据不同，取平均值
M ( i 1 i ) M 1 ( i 1 i ) M 2 ( i 1 i ) / 2
可得一般式
n n M ( i 1 i ) M 1 ( i 1 i ) / n M 2 ( i 1 i ) / n / 2 i 1 i 1
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i 采样点序号； x i 采样点x方向直线位置。
第2节 在线检测与误差补偿方法 一、形状位臵误差的在线检测
2.平面类形状位臵误差的测量方法 (1)反转法（接上页） 若检测装臵重复性好，可认为
第1节 概述 三、误差补偿技术
钝化法
在车削加工时，由于导轨在垂直面上的纵向直线度会造成刀尖中 心高位臵的变化，影响工件的加工精度。 a图为刀具安装在水平位臵，若刀尖位臵下降h值时，工件在半径 上尺寸会增大 R h ；（误差迟钝方向） b图为刀具安装在垂直位臵，若刀尖位臵下降h值时，工件在半径 2013-8-10 上尺寸会增大 R h。（误差敏感方向）
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第2节 在线检测与误差补偿方法 一、形状位臵误差的在线检测
1.外圆、孔类形状位臵误差的测量方法 三点法 在P129测量精密主轴的回转 误差中已经介绍。
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第2节 在线检测与误差补偿方法 一、形状位臵误差的在线检测
1.外圆、孔类形状位臵误差的测量方法 转位法 用圆光栅1测量角度位臵；
提高加工精度的途径： 1）隔离和消除误差；
找出加工误差产生的根源，采取相应措施，使误差不产生或少 产生。
2）误差补偿
用相应的措施去“钝化“、抵消、均化误差，使误差减小。 2013-8-10
第1节 概述 二、加工精度的检测
精度检测按所处的环境分为：
1.离线检测
工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检测室 中进行检测。检测条件较好，测量精度较高。
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第1节 概述 三、误差补偿技术
抵消法
如图，为了提高丝杠 车床主轴的回转精度， 在装配时人为地选择 前后轴承的偏心量和 偏心方向。 若选择前轴承的偏心 量小于后轴承的偏心 量，且两者的偏心在 同方向，则可将偏心 误差抵消一部分，从 而提高了主轴的回转 精度。
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第1节 概述 三、误差补偿技术
4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；
5）一般是自动运行，形成在线检测系统。
在线检测类型
1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿 2）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿 2013-8-10
第1节 概述 三、误差补偿技术
1.误差补偿的概念 在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、均化、 “钝化”等措施使误差减小或消除。
用测微仪（测头传感器）测量 工件形状误差和回转轴系运动 误差； 起点电路提供一个作为角度位 臵的起始点信号。
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分离工件和轴系误差的转位法有三种：
(1) 反转法
测量时只作一次转位（工件与测头对轴系回转180°）， 共测得两组数据 V1 (i ) M1 (i ) S (i )
均化法
多齿分度盘是采用四点易位对角研磨法对上下两个齿盘进行最 终加工。上齿盘上下运动与下齿盘产生研磨运动。上齿盘以正 传180°后翻转90°的顺序转位，其位臵为0°-180°-90°270°-180°-360°-270°-90°-0°，八次一个循环，一次循 环后，上齿盘相对下齿盘转动一个齿，再进行下一个循环，直 至全部齿转完。 该研磨方式可使齿距误差充分均匀，得到很高的分度精度。 2013-8-10
V2 ( i ) M 2 ( i ) S ( i )
式中
V1 ( i )、V2 ( i ) 分别为测头传感器两次 所测得的两组信号 M 1 ( i )、M 2 ( i ) 分别为两次测得的回转 轴系运动误差
S ( i ) 测头传感器所测得信号 中工件形状误差部分
(2)闭合等角转位法
每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转 角，共测m个位 m 臵， 3600 ，可得m组数据
Vi ( ) M i ( ) S ( i 3600 / m )
Vi ( ) 测头传感器在某个位置 所测得的一组数据； M i ( ) 测头传感器在某个位置 所测得的一组回转轴系 运动误差；
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由式（1）、（3）可得
V1 ( i 1 ) V0 ( i ) M ( i 1 ) M ( i ) M 1 ( i 1 i )
由式（1）、（2）可得
（4）
V0 ( i 1 ) V2 ( i ) M ( i 1 ) M ( i ) M 2 ( i 1 i ) （5）
2.平面类形状位臵误差的测量方法
平面类形状位臵误差主要针对超精密机床的导轨 直线度、工作台的台面直线度和平面度等。测量 中的关键问题是如何分离工件形状误差和机床直 线运动误差。
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第2节 在线检测与误差补偿方法 一、形状位臵误差的在线检测
2.平面类形状位臵误差的测量方法 (1)反转法 测量分两次进行，在第二次 测量时，工件转过180度，得 到两组数据
V1 ( x i ) M 1 ( x i ) S ( x i )
V2 ( x i ) M 2 ( x i ) S ( x i )
的两组信号； 式中 V1 ( x i )、V2 ( x i ) 分别为测头两次所测得 M 1 ( x i )、M 2 ( x i ) 分别为两次测得的机床 直线运动误差； S ( x i ) 测头所测得信号中工件 形状误差部分；
S ( i360 0 / m) 测头传感器在某个位置所测得的一组信号中工件形状误差部分；
i 测量位置序号， 1 m i＝ ～
当m很大时，S i ( ) 的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动 误差 M ( ) V ( )/ m i 闭合等角转位法可用于测量径向和轴向运动误差。测量工作 量大，不能测得高次谐波，不能用于实时控制。 2013-8-10
(3)对称转位法 在0度位臵测完后，测头不动，工件相对于轴系各作 一次 、 转位角，取转位角等于采样间隔角 ， 共得3组数据
V0 ( i ) M ( i ) S ( i )
V2 ( i ) M ( i ) S ( i ) M ( i ) S ( i 1 ) V1 ( i ) M ( i ) S ( i ) M ( i ) S ( i 1 )
第6章 在线检测与误差补偿技术
6.1 概述
6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 在线检测与误差补偿方法
6.3 微位移技术
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第1节 概述 一、保证零件加工精度的途径
保证零件加工精度的途径： 1）“蜕化”原则，或称“母性”原则。
机床精度要高于工件要求的精度。
2）“进化”原则，或称“创造性”原则。
在精度比工件要求较低的机床上，利用误差补偿技术，提高加 工精度，使加工精度比机床原有精度高。
由式（4）、（5）可得
M ( i 1 i ) V0 ( i 1 ) V0 ( i ) V1 ( i 1 ) V2 ( i ) / 2
对称转位法可用于测量径向和轴向运动误差，操作方便，但 2013-8-10 检测工作量较大，也不能用于实时控制。
第2节 在线检测与误差补偿方法 一、形状位臵误差的在线检测
误差修正（校正）：指对测量、计算、预测所得的误 差进行修正（校正)； 误差分离：指从综合测量所得的误差中分离出所需的 单项误差；
误差抵消：指两个或更多个误差的相互抵消；
误差补偿：对一尺寸、形状、位臵差值的补足。
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第1节 概述 三、误差补偿技术
修正法
如图，为了提高丝杠 车床的螺距精度，通 过杠杆将修正尺和母 丝杠的螺母连接。修 正尺上的修正曲线使 母丝杠的螺母作附加 微小转动，从而使刀 架产生附加微小位移 来补偿母丝杠的螺距 误差。
i 采样序号， 1 n； i ～
(1) (2) (3)
V0 ( i )、V2 ( i )、V1 ( i ) 测头传感器分别在0 、＋ 、－ 位置所测得的信号； 0
M ( i ) 测头传感器所测得回转 轴系运动误差；
S ( i ) 测头传感器所测得信号 中工件形状误差部分。
第1节 概述 三、误差补偿技术
2.误差补偿的类型 （1）实时与非实时误差补偿 实时误差补偿（在线检测误差补偿或动态误差补偿）： 加工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补 偿，不仅可以补偿系统误差，且可以补偿随机误差。 非实时误差补偿：只能补偿系统误差。 （2）软件与硬件误差补偿 软件补偿：通过计算机对所建立的数学模型进行运算 后，发出运动指令，由数控伺服系统完成误差补偿动作。 软件与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件 产生的。软件补偿的动态性能好，机械结构简单、经济、 工作方便可靠。 2013-8-10