误差补偿技术与其应用哈工大

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
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时；
X 轴
机床型号：TH6920
定
位
误
差
X
X
轴
轴
z
y
向
向
直
直
线
线
度
度
误
误
差
差
第22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；
热变形误差
·丝杠热膨胀 ·立柱热变形
机
·机床结构热变形
床 的 综 合
其它误差...
·插补误差 ·工件的装夹 ·湿度、气流
误
·检测设备
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
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
149厂应用效 果
第12页
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
·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 振动误差 轮廓误差
·滑枕、镗杆热膨胀
重型数控机床误差补偿技术的研究与应用
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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
开式结构、较大运 动空间造成几何误 差明显
导轨静压油温升明显造成 热变形
➢ 几何误差——开放式结 构、运动空间大；
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
修改模型参数
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
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
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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
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 149厂实验结果
立柱热倾斜误差明显
➢ 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。
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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
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
测量各温度传感器的温度变化曲线
第21页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
•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
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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
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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
建立动力学模型与动态跟踪误差模型； 检测与验证大惯量移动部件伺服驱动动态误差；
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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
UG三维模型
仿真分析模型及结果
ADAMS机构模型
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
“9线法”辨识的测量数 据
z 5
2 7
9
O(0, 0, 0)
4
1
3
6 x
8 九线法的测量 原理示意图
y
激光跟踪 仪测量
多维激光干 涉仪测量
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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
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4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
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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
➢ 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ห้องสมุดไป่ตู้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