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净 丁 浙江大学硕士学位论文 基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 摘要 本论文以研究基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究为主要内容，首先分析了 国内外数控机床几何误差和热误差的检测技术与补偿技术的发展现状，对数控机床的误差进行 了详细的分析和辨识。在比较了4 种常用的几何误差检测方法后，使用r e n i s h a w 激光干涉仪 对数控机床的线性定位误差进行了测量。然后，使用高精度的c c d 激光位移传感器和涡电流 位移传感器对机床主轴热变形进行了实时测量，同时，使用以a r m 控制板为核心的测温系统 对机床的关键部位进行了温度测量。并对机床的测温点进行了优化布点在介绍了基于最小二 乘法的多元线性回归建模方法后，建模了机床的热变形实时预测模型。最后，对机床的线性定 位误差进行了丝杠螺距补偿和丝杠间隙补偿，基于开放式数控系统，使用p i i a c 控制卡对数控 系统的g 代码指令进行了实时修改，实现了机床热误差的实时补偿该补偿方法在实际加工中 被证实具有良好的补偿效果。全文共分七章： 第一章，提出了本课的题研究背景和意义，详细介绍了国内数控机床误差检测与补偿技术 的发展现状，概括了本论文的主要工作 第二章，介绍了数控机床的误差来源、误差的分类，对一台三轴立式铣床进行了详细的误 差分析，提出了数控机床的几何误差和主轴热误差的辨识方法。这些工作为数控 机床的误差检测提供了理论基础。 第三章，介绍了4 种典型的几何误差检测方法：一维球列测量法、球柄仪测量法、平面正 交光栅测量法和激光干涉仪测量法，在对这4 种检测方法进行比较后，选用 r e n i s h a w 激光干涉仪对一台三轴立式铣床的线性定位误差进行了测量。这些工 作内容为数控机床几何误差补偿提供了可靠的实验数据 第四章，介绍了数控机床热误差检测系统的特点，详细分析了机床测温系统和热变形测量 系统的软硬件结构。本文突破性的把高精度c c d 激光位移传感器应用到数控机 床误差检测中，为数控机床热误差补偿提供了可靠的实验数据 第五章，介绍了曲线拟合的最 b - - 乘法，多输入单输出的多元线性回归法，为数控机床的 误差补偿提供了良好的数学模型。利用基于最小二乘法的多元线性回归建模方法 为数控机床的热误差建立了数学建模，通过对真实数据和估计数据的残差进行分 析后，发现该模型具有良好的预测精度。 第六章，介绍了数控机床误著补偿的基本概念和相关工作原理，对数控机床的几何误差和 热误差分别进行了补偿该补偿方法在实际加工中被证实具有良好的补偿效果。 第七章，对本论文的研究工作和研究成果进行了总结，展望了未来的研究工作。 关键词：数控机床；激光干涉仪；c c d 激光位移传感器；最小二乘法；多元线性回归；误差 补偿 浙江大学硕士学位论文 基于激光测试技术的数拧机床误差识别与补偿研究 a b s 瞰c t r e s e a r c h t h ee r r o p 3r e c o g n i t i o na n dc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et o o l sb a s e do nl a s e rt e s t i n gt e c h n o l o g yi st h em a i nc o n t e n to ft h i s p a p e f f i t s t , t h e d e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo ft h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yo fg e o m e t r y e r r o r sa n dt h e r m a le r r o r si nt h em a c h i n et o o l sb o t hi na n da b r o a dc h i n ai sa n a l y s e d e r r o r so ft h e n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sa r cp a r t i c u l a ra n a l y s e da n dr e c o g n i s e d t h e n , t h el a s e ri n t e f f e r o m e t e r o fr e n i s h a wi su s e dt om e a s u r et h el i n e a rp o s i t i o n i n ge l t o r s t h es y s t e mo ft h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tc o n t r o l l e db yt h ea 蹦b o a r di su s e dt oi n s p e c tt h et e m p e r a t u r eo ft h em a c h i n e t o o l s , a n dt h ei n s p e c t i o np o i n t so f t e m p e r a t u r ea r eo p t i m i z e d t h et h e r m a ld i s t o r t i o no f t h em a c h i n e t o o l ss p i n d l ei sr e a l q i m em e a s u r e db yt h eh i g ha c c u r a c yc c dl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r s a f t e r e x p o u n d i n gt h em o d e l i n gm e t h o do fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nb a s e d0 1 1l e a s ts q u a r ea l g o r i t h m , t h e t h e r m a ld i s t o r t i o nm o d e li sm o d e l l e d a tl a s t ，t h et h el i n e a rp o s i t i o n i n ge r r o r sa r ec o m p e n s a t e db yt h e c o m p e n s a t i o no ft h et h r e a dp i t c ha n dt h r e a dc l e a r a n c e t h et h e r m a ld i s t u r t i o no ft h es p i n d l ei s r e a l - t i m ec o m p e n s a t e db ym o d i f i n gt h egc o d ew i t ht h ep m a cc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n tm e t h a d , t h ec o m p e n s a t i o ni sv a l i d a t a dv e r ye f f o c t i v e t h i sp a p e ra l lh a ss e v e l lc h a p t e r s ： c h a p t e ro n e ：1 1 1 er e s e a r c hf o c u sa n ds i g n i f i c a n c ea r ep u tf o r w a r di nt h i sc h a p t e r ap i c t u r eo f t h e d e v e l o p i n gc o u r s ea n dt r e n do ft h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dc o m p e u s a t i o nt e c h n o l o g yo f g e o m e t r yi 自l t o r sa n dt h e r m a le t l o r si nm a c h i n et o o l sb o t hi na n da b r o a dc h i n a a n dt h em a i n l yw o r k o f t h ep a p e ri ss i m p l yp r e s e n t e d c h a p t e rt w o ：t h i sc h a p t e rp r e s e n t s 自l t o mo r i g i na n ds o r to ft h em a c h i n et o o l s e r r o r so fa t h r e e - a x i sv e r t i c a ln u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n ei sd e t a i l e da n a l y s e da n dr e c n g n i s e d e r r o r s a n a l y s i sa n dr e c o g n i t i o ni st h eb a s i st h e o r yo f t h ee r r o r sm e a s u r e m e n t c h a p t e rt h r e e ：t h i sc h a p t e rp r e s e n t ss e v e r a lt y p i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d so ft h eg e o m e t r y e r r o r s ：o n e dh a l lb a r 、d o u b l eb a l lb a r 、k g m 、l a s e ri n t e r f e r o m e t e r a l l dt h e1 姗i n t e r f e r o m e t e rj su s e d t om e a s u r et h el i n e a rp o s i t i o n i n ge r r o r so fa m i l l i n gm a c h i n e t h i sm e a s u r e m e n tp r o v i d e sc r e d i b l e d a t a f u r t h e g e o m e t r y e r r o r s c o m p e n s a t i o n o f m a h i n e t o o l s c h a p t e rf o u r ：m e a s u r e m e u tr e s e a r c ho ft h e r m a le n 粥b a s e do nl a s e rd i s p l a c e m e u t s e n s u r t h e r m a lm e a s u r e m e n tm e t h o di nm a h i n et o o l s t l l i sc h a p t e rp r g s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e t h e r m a lm e a s u r e m e n ts y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m a n dt h e r m a lm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e t a i l e da n a l y s e d t h i sm e a s u r e m e n tp r o v i d e sc r e d i b l ed a t af o r t h et h e r m a le r r o r sc o m p e n s a t i o no f m a h i n et o o l s c h a p t e rf i v e ：t h i sc h a p t e rp r e s e n t sm u l t i p l el i n e a r i t yr e g r e s s i o nb a s e do f fl e a s ts q u a r e a l g o r i t h m n 1 e a s ts q u a r ea l g o r i t h m a n d m o d e l i n g m e t h o d t h i s c h a p t e rp r o v i d e s a g o o d m a t h e m a t i c sm o d e if o rt h ee r r o r sc o m p e n s a t i o no f m a c h i n et o o l s c h a p t e rs i x ：1 k sc h a p t e rp r e s e n t st h eb a s i cc o n g e p ta n dp r i n c i p l eo ft h ec o m p e n s a t i o ni n m a c h i n et o o l s g e o m e t r ye r r o r sa n dt h e n n a le r r o r si nm a c h i n et o o l sa r ec o m p e n s a t e d a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n tm e t h o d t h ec o m p e n s a t i o ni sv a t i d a t e dv e r ye f f e c t i v e c h a p t e rs e 哪：1 1 l i sc h a p t e ro f f e r sac o n c l u d i n gr e m a r kf u rt h er e s e a r c h 删c c t ，a n di n d i c a t e s t h ep r o s p e c t so ft h ed e v e l o p m e n to ft h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yo f g e o m e t r ye t r o r sa n dt h e r m a le r r o r si nm a c h i n et o o l s k e y w o r d s ：m a c h i n et o o l s ：l a s e ri n t e r f e r o m e t e r ：l e a s ts q u a r ea l g o r i t h m ：m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n ： e r r o r sc o m p e n s a t i o n h 主 j 学号 2 0 4 0 8 0 21 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师傅建中教授指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得溢些盘茎或其他教百机构的 学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：曾藩麓签字日期：沙。红月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权澎鎏蠢空可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 导师签名： 签字日期：沁( 年6 月q 日 电话：l ； 邮编： 膻惭 日 承7 曾阳执 辄 侔蛎 签 n 毕 者 1 者 作 ：作： ： 文 期文位址 论 日论单地 位 字位作讯 学 签学工通 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 i i 课题研究背景和意义 第一章绪论 当今世界的制造业重心已经向中国转移，中国的机械制造技术取得了明显进步机械制 造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术设备的任务，是国民经济各部门赖以发展的 基础，而机床工业则是机械制造工业的基础，一个国家机床工业的技术水平在很大程度上取 决于这个国家的工业生产能力和科学技术水平技术。随着数控技术的快速发展和大量应用， 数控机床加工精度级别已经成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志数控技术集微电 子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率，柔 性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用，因此， 数控机床加工精度的研究受到了国内外学者越来越多的重视 装有数字程序控制( n c ) 系统的机床被称为数控机床，现代数控机床已不是靠挡块、行 程开关、凸轮模拟等原始控制手段来实现加工控制的普通机床当世界上第一台电子计算机 于1 9 4 8 年问世后，人们就开始设想用电子计算机来实现对机床的操作和控制，从而解决复杂 零件的加工问题1 9 4 8 年，美国帕森斯公司( p a r s o n s c o ) 在研究加工直升飞机叶片轮廓检 查用样板机床时，提出了用电子计算机控制机床加工样板的设想。1 9 5 2 年，世界上第一台由 电子计算机控制的三坐标立式铣床研制成功，这是世界机床发展史的一个化时代的里程碑， 开创了计算机( n c ) 控制机床的先河。传统意义上的机械加工制造工艺所不能完成的工作可 以由数控控制来完成，其智能化的程度甚至超过了人工的精雕细刻经过近6 0 年特别是近 几十年的迅猛发展，越来越多的数控装备正在被应用于机械、电子、模具、家具制造、汽车 等行业。到2 0 世纪后期，在大批大量生产自动化充分实现的基础上，物资丰富、人们生活水 平不断提高，要求产品多样化，柔性生产自动化的数控机床获得了较快发展，能够自动换刀、 实现多种不同工序连续进行加工的加工中心，也被广泛的应用到制造业的各个环节中“1 高速化、高精度化仍然是数控机床今后的主要发展方向之一高速加工是9 0 年代蓬勃发 展起来的一项高新技术，现已在工业发达国家得到了广泛的应用，取得了极其显著的技术经 济效益。高速加工不仅仅具有极高的生产效率，而且由于切削力的大幅度降低，切削热被迅 速带走，可以显著提高零件的加丁精度和表面质量。高速加工的切削速度、进给速度都高于 常规速度的5 - 1 0 倍以上国外的加工中心，主轴转速均己达1 2 0 0 0 r m i n 2 0 0 0 0 r m i n 。快速 行程为4 0 m m i n 6 0 m m i n ，换刀时间为l - 5 s 3 s 。如意大利f i d i a 公司的6 6 4 高速铣床，主轴 转速为2 4 0 0 0 r m i n 。德国r o d e r s 公司的r f i l 7 6 0 高速铣床，转速高达4 2 0 0 0 r m i n 国产数控机 床的主轴转速也普遍提高，如我国沈阳和意大利f i d i a 公司的合作产品d i g i t l 6 5 高速铣床， 转速可达4 0 0 0 0 f r a i n 以上，上海明精机床有限公司推出的电主轴数控机床h m - 0 7 7 2 5 t 和 l 1 一0 0 9 ，其主轴转速也分别达到了1 0 0 0 0 r m i n 和5 0 0 0 r m i n ” 1 ， r 浙江大学硕士学位论文 基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 随着机械、电子、光学产业的迅速发展，对机床的检测精度要求也越来越高，传统的检测 方法越来越不能满足机床误差检测的需求。激光测试技术是近年来发展迅速的一种新型检测 技术。激光( l a s 既) 是上实际6 0 年代发明的一种光源，l a s e r 是英文的“受激放射光放大” 的首字母缩写激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器 有氦一氖激光器和氩激光器，固体激光器有红宝石激光器，半导体激光器有激光二极管，像 c d 机、d v d 机和c d - r o m 里的那些每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。激光有 很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的 激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的；其次，激光是相干光相干光的特 征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个。波列”；再次，激光是高度集中的，也 就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。因此，激光不仅方向性强，亮 度高，而且单色性好、相干性好 激光测试技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源。把被测对象的 移动距离经过光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果，并 数字显示。激光测试具有测量精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于 测量长度、位移、速度，振动等参数。激光测试是一种基于光学技术、现代激光、电子学、 计算机、精密机械等多学科技术于一体的检测方法。基于激光测试技术的各种优点，激光测 试技术在工业领域已经得到了广泛应用。 提高数控机床的加工精度，可以采用误差防止和误差补偿两类措施实践表明：提高数 控机床自身的制造和装配精度是保证加工精度的最稳定，最可靠、最有效的措施，但是由于 制造成本与制造精度呈几何级数关系增长，制造难度也随制造精度的增长而加大，甚至达到 不可能的程度，因此，通过单纯的提高机床自身制造与装配精度的措施越来越难以适应现代 生产技术的要求误差补偿技术不需要改变机床原有结构就能实现高精度加工，因而可以高 精度低成本的生产各类产品，符合现代生产的要求。同时，随着误差检测与辨识手段的重大 突破、计算机技术的迅速发展、机床误差建模技术的日臻成熟以及自动控制技术的不断进步， 为误差补偿技术提供了更加可靠的技术支撑。从发展的观点来看，为满足日益复杂的型面的 高精度加工需求，对数控机床，特别是精密、超精密机床加工进行全面计算机软件补偿，以 提高精度和降低成本，是个必然的趋势。随着加工精度的不断提高，提高加工精度的难度越 来越大，采用误差补偿技术的意义愈益重要，特别是在精密和超精密加工中，误差补偿技术 己成为重要的手段之一，近年来误差补偿技术的研究受到很大重视，发展速度很快“” 【盯】l 瞄】【帕1 f r o l7 l l 【竹l 补偿技术与传统的精化机床的方法不同，它不需要十分费力地去精确找出“病因”。 它是把众多的形成机床加工误差的因素视作为一个不知其相互间作用内情的。黑盒”，而 只针对它最终出现的误差值予以自动修正。它不需对机床的结构和制造作重大变更，所需费 用较少且调整灵活，因而成为提高机床工作精度的一个良策。数控机床补偿技术的发展经过 了三个历程，分别是机械是静态补偿法、实时补偿法和综合动态补偿法机械式静态补偿法 2 t 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 出现在4 0 至5 0 年代，这种方法主要是通过修正传动机构的位移量( 如丝杠螺距和间隙) ， 调整读数装置的示值和应用导轨反向弹性变形等措施来补偿位移误差这个方法只能按照预 置的设定值进行补偿，不能对机床在实际情况下进行及时的反馈控制。实时补偿法出现于 6 0 年代，随著数控机床的快速发展而得到推广它主要是通过测量机床移动部件的实际位 置或工件的某一尺寸参数，并与规定值进行比较，然后按得出的误差值进行反馈补偿。实时 补偿法适用于各种具有闭环位置控制或反馈补偿功能的机床( 如反馈补偿型的开环或半闭环 数控机床，带有工件尺寸在线检测和反馈控制的螺纹磨床及外圆磨床等) 实时补偿法最突 出的优点是能够适时调整补偿量以提高机床的加工精度。同时，该方法也有不足之处，因为 它只能精确补偿检测方向上的误差，所以对于两轴联动的轮廓加工误差以及e h - - 轴或更多轴 联动时产生的空间位置误差( 简称空间误差) ，单纯依靠硬件系统的检测和反馈的方法，是 很难获得精确的补偿效果。综合动态补偿法出现于8 0 年代，其基本方法是软件技术和实时 补偿技术相结合。它的主要特点包括：补偿的动态性和补偿综合性。补偿的动态性是指补偿 技术能够根据机床的工况、环境条件和切削作用点的空间位置的变化来自动跟踪相应地调整 补偿量。由于机床工作时存在多种类型误差( 如几何误差、热误差和刀具系统误差等) 的共同 作用，而其各自的比重随工作条件而变化，如高速时热误差占有最大的比重，而低速时几何 误差可能是最主要的。因此，误差的综合补偿不仅避免了仅对单类误差进行补偿时的效果局 限性，还能优化补偿时的补偿量，进一步拓宽补偿的功能，提高补偿的精度” 数控机床误差补偿技术虽然能够在一定程度上提高机床的加工精度，但如何更好的补偿 机床的误差，仍然需要解决许多问题，其中一个最重要的两个问题就是数控机床的误差测量 的精确性问题和数学模型的鲁棒性问题。如何高效、简便和精确测量数控机床的误差一直是 国内外专家学者关注的焦点 近年来随着精密、超精密加工技术以及激光检测技术的发展，一些高精度的激光位移传 感器开始应用在数控机床各项误差检测之中，为数控机床的误差补偿技术提供了良好的保 障。本文利用r a i n s h a w 激光干涉仪对一台三轴立式铣床进行了线性定位误差检测。利用日 本基恩士公司生产的高精度c c d 激光位移传感器和涡电流位移传感器，在数控机床主轴空载 的条件下，对主轴进行了实时的热变形测量。同时，利用智能温度传感器对机床主轴的热敏 感部位进行了优化布点，基于最小二乘的多元线性回归方法，建立一个基于主轴温度热关键 点的热变形预测数学模型。在数控机床的线性定位误差进行了螺距和丝杠间隙补偿后，机床 的线性定位精度得到很大提高，最好的补偿效果达到8 0 同时，基于开放式数控系统， 利用p m a c 控制卡对数控系统的6 代码进行实时修改，实现了机床的热误差实时补偿。为了 检验机床的几何误差和热误差补偿效果，在机床没有补偿和有补偿的条件下，分别对两个相 同的标准试件进行了加工。在比较加工后的零件尺寸后，发现补偿后的零件尺寸精度更符合 预期的要求，补偿后的数控机床加工精度有了很大提高 t 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 1 2 数控机床误差检测及补偿技术国内外发展现状 1 2 1 数控机床误差检测技术国内外发展现状 能否精确的测量机床的各项误差直接关系到误差数学模型的准确性，进而影响到机床误 差补偿的效果。误差辨识方法可以分为直接测量误差元素和问接估计误差元素。直接测量误 差元素是使用误差检测设备直接对机床在不同的位置和温度条件下进行测量，这种测量方法 简单明了，测量准确性好。间接估计误差是一种基于运动学模型的检测方法，它提供了一种 快速和有效估计机床误差分量的方法。使用激光干涉仪测量机床几何误差的测量方法就是直 接测量法，利用温度关键点的温度变化来估计机床主轴热变形大小的测量方法就是间接测量 法下面将介绍数控机床几何误差和热误差的国内外发展现状。 1 几何误差检测技术国内外现状 由于机床误差元素性质的不同，数控机床的各项误差元素很难用一种检测工具来完成全 部的检测工作。根据误差的分类，可以将机床误差检测方法分为几何误差检测方法和热误差 检测方法。目前，国内外用来检测数控机床几何误差的方法大同小异，具体的方法有：一维 球列测量法，球柄仪( d b b ) 测量法，正交光栅检测及分离法，激光干涉测量法。下面将简 要减少这4 中测量方法的优缺点。 其中，一维球列法可以测量机床2 1 项几何误差和各项热误差，造价低、操作和制造都很 简单，用户可以自己制作，而且可同时测量机床三个方向的误差，效率很高，在机床的验收检 验、定期误差检测和误差补偿中具有广泛的用途，由于该方法采用接触式测量，会把检测过 程的接触变形和磨损带入检测结果，所以其测量精度不是很高。球柄仪具有精度较高，测量 时问短，成本低，并且不需专业人员，可以在生产现场测量的优点，但也有其不尽人意的地 方，由于d b b 采用接触式测量方法，使得钢球和磁性凹座之间的有一定的摩擦，从而降低了 测量精度；同时，d b b 检测的路径是按一定半径进行圆周运动，由于运动半径受到检测设备 本身的影响，只能在一定的范围变化，使其应用范围受到一些限制。平面正交光栅测量法最 大特点是检测设备安装、操作简单，耗时短，测量精度高，软件误差补偿灵活方便，结果有效 可靠，但平面正交光栅测鼍仪只能对机床的x 、y 两轴方法的误差进行测量，不能满足对机 床的主轴z 方法的误差检测需求。激光干涉仪具有精度高( 测量精度为0 0 1 埘 ) ，操作方 法简便，但激光干涉仪的测量周期比较长，对多轴加工中心完成其运动精度检测时，一般需要 l 3 天，因此。激光干涉仪多用于数控机床的出厂验收和实验研究中”“” 2 热误差检测技术国内外现状 机床内部温度的变化和环境温度的变化会引起机床的热变形。从而影响机床的加工精 度，根据机床运转时机床热误差的变化规律进行机床热误差的补偿是提高机床加工精度最为 有效的手段，也是当今国内外学者共同研究的一个方向。 目前，国内外数控机床熟误差检测的基本原理是：根据机床的物理结构，将温度传感器 布置在机床各个相关部位，检测各部位的温度变化情况，以便寻找机床的热关键点，对机床 4 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 的测温点进行优化布置。同时，利用位移传感器实时测量机床主轴的各个方向热变形量，把 获得的实验数据带入到预先设定的数学模型中，建立机床温度关键点与机床主轴热变形量之 间的关系，从而得到一个基于机床温度热敏感点或关键点的主轴热变形估计模型。对于机床 温度的测量，国内外科研机构通常采用以单片机为核心的热电偶测温系统，对于机床主轴热 变形的测量，通常采用抗干扰能力不强的电容位移传感器，但是各种研究所所采用的测量方 式和估计数学模型根据实际情况会有所不同。譬如：韩国d s l e e 在测量机床主轴热变形时 采用的是三点测量法，而国内天津大学采用的是五点测量法本文采用的温度系统由a 脚控 制板和d s l 8 8 2 0 智能温度传感器组成，热变形测量系统由高精度的c c d 激光位移传感器和涡电 流位移传感器组成，采用的测量方法是三点测量法“” 1 2 2 数控机床误差补偿技术国内外发展现状 数控机床误差补偿通常在对机床几何误差元素和热误差元素检测之后，通过预先设定的 数学模型，建立一个补偿系统数据库，依靠电脑的强大数据处理功能，将修正的数控指令发 送给数控系统，从而实现对数控机床的误差补偿下面将介绍国内外数控机床几何误差和热 误差补偿技术的发展现状。 1 几何误差补偿国内外发展现状 几何误差是由机床各部件的装配和摩擦而产生，具有一定的稳定性，属于准静态误差， 可以通过对机床的几何误差建立一个预补偿模型，可以很好的补偿数控机床自身的几何误 差。这种补偿方法被广泛应用地在国内外数控机床几何误差补偿的研究之中。但在国外，随 着机床本身制造与装配精度的不断提高，几何误差对机床加工精度的影响越来越小，相关的 研究也随之减少；在国内，由于大部分的数控机床的加工精度都还比较低，几何误差对机床 加工精度还存在着一定的影响。因此，国内对几何误差补偿的研究还是比较多 数控机床几何误差补偿可以分为硬件补偿和软件补偿两大块。对于数控机床的几何误差 而言。机床丝杠螺距误差和丝杠反向间隙误差是最主要的两项误差。因此，数控机床几何误 差硬件的补偿，主要就是对机床丝杠螺距和丝杠机械间隙的补偿。在对数控机床几何误差进 行硬件补偿以后，往往还存在不可忽略的误差，因此，可以采用软件补偿方法来进一步减少 数控机床的几何误差。本利用数学方法对数控机床的线性定位误著进行曲线拟合。建立一个 以数控机床真实座标位置为参数的误差预测模型，把模型预测出的误差值传送到机床的数控 系统中，数控系统修改机床真实座标值，从而实现对数控机床几何误差的软件补偿。 2 热误差补偿技术国内外现状 对于机床热误差，可以采用动态误差补偿，动态误差补偿法是指计算机根据目标补偿点 的误差修正矢量来修正数据指令脉冲数，或修正测量系统、测量仪器等的采样数据，从而实 现精确定位，或提高动态测量仪器的测量精度。主要研究同一机床在转速不变的条件下，研 究主轴温度变化和主轴热变形之间的关系；数控机床的转速不变，通过测量主轴温度的变化 来对机床主轴进行实时的热变形补偿。补偿是通过大量的实验，建立一个数据库，通过对主 5 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 轴温度的变化大小和范围来确定，从数据库中找出预主轴预变形量，从而对主轴进行热误差 补偿“” 在国外，美国、日本、德国的一些研究单位已经将数控机床的热误差补偿技术应用到生 产实践中，实现了机床热误差补偿从实验室阶段到工业应用的突破，为误差检测与补偿技术 在生产工业中的广泛应用打开了一个良好的开端，具有十分重要的意义。而在国内，数控机 床热误差补偿的的相关研究大部分都还停留在实验室研究阶段，还没有真正应用到工业化批 量生产当中这说明热误差补偿理论和技术还有很大的开发空间 1 3 本学位论文的主要工作 本论文以研究基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究为主要内容，首先分 析了国内外数控机床几何误差和热误差的检测技术与补偿技术的发展现状，对数控机床的误 差进行了详细的分析和辨识。在比较了4 种常用的几何误差检测方法后，使用r e n i s h a w 激 光干涉仪对数控机床的线性定位误差进行了测量。然后，使用高精度的c c i ) 激光位移传感器 和涡电流位移传感器对机床主轴热变形进行了实时测量，同时，使用以a 蹦控制板为核心的 测温系统对机床的关键部位进行了温度测量，并对机床的测温点进行了优化布点。在介绍了 基于最小二乘法的多元线性回归建模方法后，建模了机床的热变形实时预测模型。最后，对 机床的线性定位误差进行了丝杠螺距补偿和丝杠间隙补偿。基于开放式数控系统，使用肌a c 控制卡对数控系统的g 代码指令进行了实时修改，实现了机床热误差的实时补偿。该补偿方 法在实际加工中被证实具有良好的补偿效果。全文共分七章： 第一章，提出了本课的题研究背景和意义，详细介绍了国内数控机床误差检测与补偿 技术的发展现状，概括了本论文的主要工作 第二章，介绍了数控机床的误差来源、误差的分类，对一台三轴立式铣床进行了详细 的误差分析，提出了数控机床的几何误差和主轴热误差的辨识方法这些工 作为数控机床的误差检测提供了理论基础 第三章，介绍了4 种典型的几何误差检测方法：一维球列测量法，球柄仪测量法、平 面正交光栅测量法和激光干涉仪测量法，在对这4 种检测方法进行比较后， 选用r e n i s h a w 激光干涉仪对一台三轴立式铣床的线性定位误差进行了测量。 这些工作内容为数控机床几何误差补偿提供了可靠的实验数据。 第四章，介绍了数控机床热误差检测系统的特点，详细分析了机床测温系统和热变形 测量系统的软硬件结构。本文突破性的把高精度c c o 激光位移传感器应用到 数控机床误差检测中，为数控机床热误差补偿提供了可靠的实验数据。 第五章，介绍了曲线拟合的最小二乘法，多输入单输出的多元线性回归法，为数控机 床的误差补偿提供了良好的数学模型。同时，利用基于最小二乘法的多元线 性回归方法为数控机床的热误差建立了数学建模，并对真实数据和估计数据 的残差进行了分析，发现该模型具有良好的预测精度 6 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 第六章，介绍了数控机床误差补偿的基本概念和相关工作原理，对数控机床的几何误 差和熟误差分别进行了补偿。该补偿方法在实际加工中被证实具有良好的补 偿效果。 第七章，对本论文的研究工作和研究成果进行了总结，展望了未来的研究工作。 7 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识男町与补偿研究 第二章数控机床误差分析及辨识 【本章摘要】 本章针对数控机床误差建模、检铡和补偿的需要，介绍了数控机床误差的来源，按照误差产生的性 质，误差产生的原因和误差发生的时间特性不同，对误差做出了不同的分类。针对现在常用的三轴立式铣 床，详细分析了机床的几何误差和热误差元素考虑到误差检测的需要，辨识了机床的几何误差和主轴热 误差本章重点是数控机床的误差分析和辨识 2 1 数控机床误差分析 数控机床的加工精度是影响被加工工件尺寸精度的一个直接原因，工件的最终加工精度 是由机床刀具与工件之间的相对位移误差决定的。由于受到机床各种误差的影响，刀具与工 件之间的相对位移差很难等于零。因此，为了减少刀具与工件之间的相对位移差，提高机床 的加工精度，必须对影响机床加工精度的各项误差进行细致的分析和研究 2 i 1 误差的来源 一般的数控机床或数控机床主要由床身，立柱，主轴和各种直线导轨或旋转轴组成。其 中的每一部分都会产生误差。数控机床的加工误差来源于以下几个方面：机床的零部件和 结构在制造和装配时产生的几何误差，包括零件尺寸误差和装配误差；机床内、外部热源 引起的热变形误差；机床自重、切削力变形及由于动刚度不足产生的振动误差；机床轴 系伺服系统产生的伺服跟随误差；数控插补算法产生的插补误差；其它误差，如外界振 动、湿度、气流变化等产生环境误差以及检测系统中产生的检测误差等” 影响机床加工精度的误差总体上可分为准静态误差和动态误差两类 准静态误差指的是那些在一定时期内随时间变化缓慢或基本保持不变、和机床自身的制 造精度紧密相关的误差，它包括几何误差、运动误差、热变形引起的误差和机床部件自重引 起的误差。影响机床精度的误差源之间的关系和它们的影响因素如图2 1 所示。 动态误差的特性比较复杂，它可由以下原因引起：主轴运动误差、机床振动、伺服控制 误差等，减少这种误差大多需要对机床本身进行改造。 美国e k k l i n e 等在1 9 9 0 年对数控机床的主要误差源作了研究，并把它们分为由机床、 加工过程和检测等三个方面组成，各类误差占有的比例如表2 1 所示 8 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研究 设计 装备不精确 部件的结构和 精度 部件间的相对 运动 夹其的安装 夹具部件的变 动或松动 夹其原件的定 位 工件的夹紧强 度 工件和夹具之 阃的接触状况 几何，运动误差) g = = = = = ) ( 热变形引起的误差 机床的总体误差 装夹误差 )( 切削力引起的误差 图2 1 机床的主要误差源及其影响因素 表2 1 数控机床各误差源所占比重 主轴膨胀 丝杠膨胀 工作台和立 柱的变形 机床的结构 下的变形 切削过程中 热向刀具的传 递 热向切屑和 冷却灌的传递 帆床原部件 的变形 工件和材料 几何误差 2 2 机床误差热误差2 8 5 0 刀具误差 1 3 5 加工过程误差 夹具误差 7 5 工件热误差 6 5 3 5 操作误差7 5 检测误差1 5 2 i 2 误差的分类 按照误差产生的性质、误差产生的原因和误差发生的时间特性不同，可以做出不同的 分类： ( 1 ) 从误差的性质可分为：系统误差和随机误差。系统误差也称为可重复误差，指由 机床本身机械误差、系统插补误差，以及切削过程中切削力、切削温度引起的误差，约占误 差总量的7 0 左右。随机误差是由外来不可预见的因素引起的误差，也称为不重复误差。 ( 2 ) 从误差产生的原因一般可分为：几何误差、切削力误差、温度误差和其它误差。 几何误差是指由机床部件的不精确度导致的误差；切削力误差是切削过程中切削力变化导致 刀具和工件偏移产生的误差，与机床的刚度有关；温度误差主要是由于随着切削的进行，机 床部件( 主要指轴承、电机、丝杠传动副等) 受热变形导致的误差；其它误差包括振动误差、 夹具误差等。 ( 3 ) 从误差发生的时问特性还可分为：误差随时间变化的动态误差和不随时间变化的 静态误差。静态误差是在刀具和工件之问随时间缓慢变化的与机床本身结构相关的误差。它 主要包括几何误差运动误差、机床部件偏载引起的误差、热变形误差等动态误差源包括 主轴误差运动、机床的振动和控制误差。静态误差大约占机床总误差的7 0 9 6 ，当然应成为研 9 浙江大学硕士学位论文基于激光测试技术的数控机床误差识剐与补偿研究 究的重点”1 2 1 3 三轴立式数控机床误差分析 三轴立式数控机床主要的误差有几何误差，热误差和刀具系统误差等。考虑研究的侧重 点。本文只研究对数控机床精度影响最大的两项误差：几何误差和热误差。 1 几何误差 几何误差主要来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合误差、机床部件的动静变位 等。它主要包括因为丝杠节距改变而产生的定位误差、因为导轨变形而引起的直线度误差和 角运动误差、因为丝杠、齿轮等反向游隙及伺服驱动系统的失动而产生的反向游隙误差，以 及伺服不匹配误差。几何误差只与刀具或工件所处的位置有关 对三轴空间坐标系统来说，若物体沿某一坐标轴运动，其运动有六个自由度( 如图2 2 所示) ，那么就有六个几何误差分量，即沿三个坐标轴的直线度误差和对三个坐标轴的转动 误差