在线监测与误差补偿技术

外 圆 、 孔 类 形 状 位 置 误 差 测 量
一、形状位置误差的在线检测
1) 反转法

工件与测头传感器均相对于轴系回转180°。测得两组 数据： V (θ ) M (θ ) + S (θ ) =
1 i 1 i i
V2 (θi ) = i ) + S (θi ) − M 2 (θ

式中，V1(θi)、V2(θi)为测头传感器两次测得的信号； M1(θi)、M2(θi) 为两次测得的轴系回转误差； S(θi)为测 头传感器信号中工件形状误差部分； i采样点序号；θi 采样点角度位置。



二、加工精度的检测
要进行误差补偿，首要进行精度检测。根据检测的场 所不同，精度检测方法包括： 在位检测

工件加工完，在机床上不卸下工件的情况下检测。 与离线检测相比，检测结果更接近实际加工情况，避 免了由于定位基准不同造成的检测误差。 检测中发现不合格可以在有余量的情况下返修。 采用在线检测手段的时候要仔细考虑检测仪器的选用 、安装和检测方法，如果要借用机床的运动，则要把 机床的运动误差，在处理数据的时候，将它们分离。
14
误 差 补 偿 的 类 型
三、误差补偿技术
误差补偿可根据不同的特征来分类 实时与非实时误差补偿

实时误差补偿：加工过程中实时检测误差，并随即进行 误差补偿，又称在线检测误差补偿、动态误差补偿。
特点： ——误差补偿精度高； ——不仅可以补偿系统误差，而且可以补偿随机误差， ——但有些滞后不能全部补偿； ——补偿技术复杂，实施环境有限； ——实施费用高。

主要用于圆度误差，且工件加工误差与机床主轴回转 误差为同一数量级的情况也可求解；现在三点法扩展 到了圆柱度和直线度等的测量中。 只有在主轴回转完一周才能求得其回转误差，因此虽 然它是一种在线检测方法，却不能用于实时控制。
23

外 圆 、 孔 类 形 状 位 置 误 差 测 量
一、形状位置误差的在线检测
17

单维与多维误差补偿

其它分类

误 差 补 偿 过 程 及 其 系 统 组 成
三、误差补偿技术
误差补偿过程

反复检测误差出现的状况，分析其数值及方向，寻找 其规律，找出影响误差的主要因素，确定误差项目； 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，找出加工误差与在补偿点补偿量之间的关 系，建立相应的数学模型； 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； 验证误差补偿效果，进行必要的调试，保证达到预期 要求。
转位法

采用圆光栅测量角度位置，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置的起始点信 号。 分离工件形状误差和回转轴系运动 误差的转位法有三种： 反转法，测量时只作一次转位。 闭合等角转位法，又称多位法、转 位互比法、步距法。 对称转位法。
24




软件补偿的特点： ——有较高的动态特性，补偿值随工作状态及时变化，具 有柔性； ——要有计算机控制系统支持，一般都是数控系统； ——补偿系统机械结构简单、经济、工作方便。
16
误 差 补 偿 的 类 型
三、误差补偿技术
单项与综合误差补偿

综合误差补偿即同时对几项误差进行补偿，例如在精密 车床上同时对工件的圆度和圆柱度误差进行补偿。 综合误差补偿比单项补偿复杂，但效率高、效果好。 多维误差补偿是指在多坐标上进行误差补偿，如在三坐 标测量机上同时对三个坐标进行误差补偿，其难度和工 作量都比较大，是近几年发展起来的误差补偿技术。 系统误差补偿和随机误差补偿 原始误差补偿和加工误差补偿
22

外 、 孔 类 形 状 位 置 误 差 测 量
§2在线检测与误差补偿方法
圆 一、形状位置误差的在线检测
1. 外圆、孔类形状位置误差的测量方法，主要针对的是
超精密主轴系统的回转误差，不仅进行静态测量还十 分重视动态测量方法，其主导思想是将测量基准圆误 差与主轴回转误差分离开。提出了三点法和转位法。 三点法：
19
2.
3.
误 差 补 偿 过 程 及 其 系 统 组 成
三、误差补偿技术
误差补偿系统的组成
4.
补偿控制，根据误差模型和加工过程，用计算机计算 欲补偿的误差值输出补偿控制量，对于数控系统就是 正、负脉冲数。 补偿执行机构，在补偿点具体执行补偿动作；要求高 位移精度和分辨力，宽频响范围，高结构刚度；多用 微进给机构，有机械、电磁、压电等多种形式，需要 与配合的驱动电源作为一个系统来考虑。
三、误差补偿技术

误差修正、抵消、均化、钝化、分离等都是误差补偿的 各种形式和方法。

广义上误差校正、误差修正都是误差补偿的同义词。 从狭义角度看： 误差修正（校正）指对测量、计算预测的误差进行修正 误差分离指从综合测量中分离出单项的误差； 误差抵消指两个或以上误差相互抵消； 误差补偿指对一定尺寸、形状、位置相差程度（差值） 的补足，本章所论述的误差补偿主要指这一种。
= = 若检测重复性好则： M 1 (θi ) M 2 (θi ) M (θi ) = [V1 (θi ) + V2 (θi )] / 2 S (θi ) M (θi ) [V1 (θi ) + V2 (θi )] / 2 =


从而实现误差的分离。反转法操作方便，不适于实时控 制，也不能用于轴向运动误差的测量。 25
18



误 差 补 偿 过 程 及 其 系 统 组 成
三、误差补偿技术
误差补偿系统的组成
1.
误差信号的检测，它是 误差补偿控制的前提和 基础，由误差检测系统来完成。 误差信号的处理，在检测系统所得的误差信号中，分 离不需要的误差信号，提取有用的信号并满足误差补 偿的要求；关键是要有足够的处理速度和处理能力， 一般用快速高精度的运算方法、高性能计算机。 误差信号的建模，就是要找出误差与补偿控制量之间 的关系；系统误差的补偿较容易，对于随机误差，信 号处理和建模都比较困难。当前出现的随机过程模型 可以实现误差的描述甚至是预测，弥补了误差控制与 检测之间的时间滞后，为在线误差补偿创造了条件。
8

误 差 补 偿 的 概 念
三、误差补偿技术

误差补偿：在机械加工中出现的误差用修正、抵消、 均化、“钝化”等措施是误差减小或消除。 用修正法或称校正法加工丝杠

9
误 差 补 偿 的 概 念
三、误差补偿技术

抵消补偿法装配车床主轴
10
误 差 补 偿 的 概 念
三、误差补偿技术

均化误差法研磨加工多齿分度盘，达到高的分度精度; 多齿分度盘上下两个齿盘采用四点易位对角研磨法进 行最终加工； 上齿盘正转180°后反转90°的顺序转位研磨，一个循 环后错一齿继续研磨。

“进化”原则，“创造性”原则：

用精度比工件要求低的机床利用误差补偿技术加工出 合格工件。
3
一、保证零件加工精度的途径 如何提高加工精度？
误差隔离与消除：找出加工中的误差源，采取
相应的措施，使误差减少或消除；
误差补偿：用相应的措施钝化、抵消、均化误
差，使误差减小，是精密和超精密加工中重要 的手段之一。

误 差 补 偿 技 术 的 发 展
三、误差补偿技术
在线检测与误差补偿技术发展的方向

预报型补偿：在动态数据系统建模方法的基础上，创 立了预报补偿控制（Fore-casting Compensatory Control-FFC）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，可以对随机误 差进行建模和预测，实现实时补偿；它是时间序列分 析、预报与控制在制造技术中的应用。 综合型补偿：当前的误差补偿技术针对的是单项的误 差，现已展开对工件尺寸、形状和位置误差同时进行 综合补偿，其中包括对尺寸、形状和位置中的多项误 差的综合补偿，如圆度和圆柱度的同时补偿；另外， 也在加工中心等多功能机床上进行多工种补偿。
7
二、加工精度的检测 在线检测的两种类型： 从检测对象来看，在线检测有两种：

直接检测系统：直接检测工件误差并补偿之， 信号采集和处理复杂，但是能直接反映加工误 差； 间接检测系统：检测产生该误差的误差源，并 进行补偿。如对机床主轴的回转运动误差进行 检测和补偿，以提高工件的圆度。其特点是相 对较简单，与加工状况和环境的关系不大。
M (θ ) = [∑ Vi (θ )] / m

闭合等角转位法可用于测量径向和轴向运动误差，这种 方法不动测头，容易保证转位准确，操作方便。 但由于m很大，测量工作量很大，且不能测得高次谐波 ，也不能用于实时控制。
26

外 圆 、 孔 类 形 状 位 置 误 差 测 量
一、形状位置误差的在线检测
3) 对称转位法：在0°测完后，测头不动，工件相对于轴系各作

11
误 差 补 偿 的 概 念
三、误差补偿技术

误差“钝化”
12
误 差 补 偿 的 概 念
三、误差补偿技术

误差分离：在测量精密轴系径向跳动时，常在主轴上安 装一个标准球，测量该球的跳动作为主轴的跳动，这实 际包含了球的形状误差，因此在后期数据处理时要将这 一部分的误差分离出去。
13
误 差 补 偿 的 概 念
5.
20
误 差 补 偿 技 术 的 发 展
三、误差补偿技术

对于误差补偿技术的两种截然不同的观点： ——机械产品精度应靠零件和装配的精度来保证，这 是硬功夫，是稳定的持久的，对误差补偿持全面否定 态度。 ——利用误差补偿技术可以做到事半功倍地提升现有 精度，对误差补偿持肯定态度。

这两种观点其实并不对立，因为误差补偿要建立在一定 的精度基础上，所以第二种观点是第一种的补充。 在精密和超精密加工中，误差补偿技术已取得了显著成 效，但大多是非实时的，现在正在进行在线检测与实时 误差补偿的研究，它是精密制造技术、计算机技术、微 位移技术、传感技术等多种技术密集的高新技术。 21

非实时误差补偿：只能补偿系统误差，又称为静态误差 补偿。 15
误 差 补 偿 的 类 型
三、误差补偿技术
软件与硬件误差补偿

wenku.baidu.com
区别软、硬件补偿，就是看补偿信息是由硬件还是由软 件产生的； 软件补偿是利用程序，通过计算机建立的数学模型进行 运算后，发出指令，由伺服系统完成误差补偿动作。 用修正尺的方法加工丝杠，是一种硬件补偿的方法；
精密和超精密加工技术 Precision and ultra-precision machining
在线检测与误差补偿技术
1
本章内容

概述 在线检测与误差补偿方法 微位移技术
2
§1 概述
一、保证零件加工精度的途径
“蜕化”原则、“母性”原则：

靠机床保证加工精度，机床的精度高于所要求的工件 精度。例：齿轮加工，需要高精度的滚齿机、插齿机 、磨齿机等； 限制：制造精密和超精密机床技术难度和投资很大， 随着精度要求的提高，技术难度和投资甚至可能达到 不可能的程度。
外 圆 、 孔 类 形 状 位 置 误 差 测 量
一、形状位置误差的在线检测
2）闭合等角转位法：测头不动工件相对于轴系转α角， 共测m个位置， m α=360°，可测得m组数据：
Vi (θ ) M i (θ ) + S (θ + i360° / m) =

S 当m很大时， i (θ ) 的平均值可以忽略不记，于是可得回 转轴系平均误差：
6

二、加工精度的检测
在线检测：在加工的同时进行检测，也称主动检测、动 态检测。 能连续检测加工过程中的变化，了解误差分布和发展 ，为实时误差补偿、预报误差补偿和控制创造条件。


能反映实际加工情况，如加工中的热变形等；离线检 测只能测量冷态下的精度。 其可行性和测量准确性受到加工条件的限制，如传感 器安置、切削液和切屑状况、传感器尺寸及性能等。 因此在线检测难度一般较大。 多采用非接触式传感器，对传感器要求较高。 一般自动运行，形成在线检测系统，包括误差信号采 集、处理和输出、与误差补偿系统连接。因此往往不 是一种单纯的检测方法。
4
二、加工精度的检测
要进行误差补偿，首要进行精度检测。根据检测的场所 不同，精度检测方法包括： 离线检测

工件加工完毕，从机床上取下，在机床旁或检测室内 检测； 只能检测加工后的结果，不能反映加工中实际情况， 也不能连续检测； 但是检测条件好，不受加工条件的限制，检测精度比 较高； 可充分利用高精度检测仪器，如电容式传感器测头、 扫描隧道显微镜、各类电子显微镜、激光干涉测量仪 等。 5