（机械工程专业论文）数控机床定位精度研究.pdf

工程硕士学位论文 摘要 数控机床定位精度是机床的运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位 置精度，它与机床的加工能力密切相关。目前国内外在数控机床精度和定位精度 的研究方面做了大量工作，然而理论成果在实际应用中仍然存在一定的局限性。 本文在充分了解和分析国内外关于数控机床精度和定位精度方面研究和应 用成果的基础上，通过理论分析和实验论证，针对t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 型卧式加工 中心定位精度超差的问题，找出其根源，指导企业进行修复，解决困扰企业生产 的技术难题。 生产中影响定位精度的因素有很多，针对t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 加工中心的具体 结构，主要有全闭环进给伺服系统的误差、生产现场的干扰、热误差以及导轨几 何精度的影响等。通过逐一加以分析排除，讨论测量系统误差，指出导轨几何误 差尤其是直线度误差与机床定位精度超差直接相关。经分析计算，明确了直线度 误差对定位误差的影响程度。结合实践中观察到的导轨几何精度走失现象。进一 步分析了引起导轨变形的根源在于机床立柱底座结构设计上的缺陷即排屑槽的 存在导致底座刚度减弱以及未获得有效消除的残余应力。在对导轨进行修复的过 程中，采用了安装桥架以提高底座刚度的新方法。最后通过一系列对比实验表明 伴随导轨直线度误差的改善，机床的定位精度明显提高。实验直接验证了导轨直 线度对机床最终定位精度的重要影响。本研究得到的结论及使用的方法对于同行 业也有参考和借鉴意义。 关键词t 数控机床；定位精度；导轨几何精度；精度走失；桥架 数控机床定位精度研究 l l l _ 。m l _ii ii iii i i - i a b s t r a c t t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fn cm a c h i n et o o li st h eb e s tm o v i n g p o s i t i o na c c u r a c yw h i c ht h em a c h i n et o o lc a nr e a c hu n d e rt h ec o n t r o lo fn c c o n t r o ls y s t e m i t sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ep r o c e s sa b i l i t yo f t h em a c h i n et 0 0 1 t h o u g hc u r r e n tal o to fw o r k sh a v eb e e nd o n eo nt h i si s s u e ，t h e r ea r es t i l l l i m i t a t i o n so nt h ea p p l i c a t i o no ft h e o r e t i c a la c h i e v e m e n t s i nt h i sp a p e r ，b a s e do nf u l l yu n d e r s t a n d i n ga n dd e e p l ya n a l y z i n gt h e c u r r e n ts t a t u so ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h en cm a c h i n et o o l a c c u r a c ya n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yt e c h n i q u e ，s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n ea n ds o m et h e o r i e sh a v eb e e ns t u d i e d ，s oa st of i n do u tt h er o o to f p o s i t i o n i n ge r r o rf o rt h 6 5 10 0 10 0 ah o r i z o n t a lm a c h i n ec e n t e r ，h e l pt h e f a c t o r yp e o p l et or e p a i rt h en cm a c h i n e ，s o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m st h a t p u z z l et h ee n t e r p r i s ep r o d u c t i o n t h e r ea r es e v e r a lf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi na c c r u a l p r o d u c ep r o c e s s c o n s i d e r i n g t h ec o n c r e t es t r u c t u r eo ft h 6 51o o x1o o a h o r i z o n t a lm a c h i n ec e n t e r ，t h ei n f l u e n c e sm o s t l y c o n s i s to ft h ef u l l c l o s e d 1 0 0 pf e e ds e r v es y s t e me r r o r ，t h ei n t e r f e r ei np r o d u c t i o n ，t h et h e r m a l e r r o r ，t h eg e o m e t r i ce r r o r so fm a c h i n et o o lg u i d ew a ya n ds oo n a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sa n de l i m i n a t i o no n eb yo n e ，t a k i n gt h ee r r o r s o ft h e m e a s u r e m e n ts y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n ，i tp o i n t so u tt h a tt h eg u i d ew a y g e o m e t r i ce r r o re s p e c i a l l ys t r a i g h t n e s se r r o ro fg u i d ew a yi sd i r e c t l yr e l a t e d t ot h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fn cm a c h i n et 0 0 1 a f t e rt h e o r i e sa n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n ，i t sc o n f i r m e dt h ei n f l u e n c e so ft h eg u i d ew a ys t r a i g h t n e s s e r r o ro nt h ep o s i t i o n i n ge r r o r a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h eg u i d ew a y g e o m e t r i ce r r o rc h a n g ei n s t a n c eb yp r a c t i c a lo b s e r v a t i o n ，t h e a d d i t i o n a l a n a l y s i sa r ep e r f o r m e dt of i n dt h a tt h er e a s o no ft h eg u i d ew a yd i s t o r t i o ni s t h ed e f e c ti nm a c h i n et o o is t r u c t u r ed e s i g n ，w h i c ha r et h es t i f f n e s ss h o r t a g e f o rc o l u m nb a s eb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fc h i pa r e aa n dt h er e s i d u a l s t r e s s e st h a ta r en o te f f e c t i v e l y r e l i e v e d t h en e wm e t h o do fb r i d g e s t r u c t u r ei n s t a l l a t i o ni su s e dw h e nt h eg u i d ew a ya r er e p a i r e d f i n a l l y a c c o r d i n gt o as e r i e so f c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t s ，i t s s h o w nt h a t a c c o m p a n i e db yt h ei m p r o v e m e n to fg u i d ew a yg e o m e t r i ca c c u r a c y ，t h e p o s i t i o n i n ga c c u r a c y o fn cm a c h i n et o o lh a sam a r k e da d v a n c e i t s 工程硕士学位论文 v e r i f i e d b yt h ee x p e r i m e n t st h a tt h es t r a i g h t n e s se r r o r so fg u i d ew a y s t r o n g l yi n f l u e n c et h ef i n a lp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fn cm a c h i n et 0 0 1 t h e c o n c l u s i o na n dm e t h o d su s e di nt h i sr e s e a r c hh a v er e f e r e n c ev a l u ea n dc a n b el e a r n e df o ro t h e r si nt h ei n d u s t r y k e yw o r d s ：n cm a c h i n et o o l ；p o s i t i o n i n ga c c u r a c y ；g u i d e w a yg e o m e t r i c a c c u r a c y ；a c c u r a c yc h a n g e ；b r i d g es t r u c t u r e i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：阉磊勿 日期：跏凹年 7 月 ze l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打”，”) 作者签名 导师签名 ：加略年 ：孔钾年 月2 日 罗月么日 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本研究的目的及意义 数控机床是当今世界制造业中实现机电一体化的先进性代表设备，以其卓越 的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度和灵捷而多样化的功能等优点而为世人 所瞩引1 ，2 】。随着经济全球化，国际、国内市场竞争日趋激烈，用户对产品优质、 可靠、安全、功能多样化、结构精细化的要求越来越严格，消费者需求的个性化 越来越迫切，制造业向精度更高、品种更多、柔性更好、批量更小、成本更低以 及周期更快的生产方向发展成为一种必然选择，采用数控机床是制造业适应这种 发展趋势的重要途径。同时，现代科学技术的迅速发展，现代科学技术与机械制 造科学技术的结合，为机械制造业适应这种发展趋势提供了重要的理论和实现的 技术基础。随着微电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术及微型 计算机技术、人工智能技术等新技术的发展，数控机床得到了空前快速的发展， 促使数控机床不断升级而逐渐成为评价现代工业发展的重要指标。数控机床己成 为现代制造技术的基础和核心，也是柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统 ( c i m s ) ，智能化制造系统( i m s ) 及工厂自动化( f a ) 的基本组成单元。因此，数控机 床的合理设计与使用直接维系着产品质量的高低以至经济的发展，如何提高数控 机床设计和使用性能就成为了迫切需要解决的问题。目前国内外许多科研机构、 数控系统制造厂商等纷纷从不同角度展开了大量的研究工作，提出了各种提高和 改进数控机床的加工效率和精度性能的方法。 作为数控机床的制造和使用企业，他们面对的问题更为现实和具体，考虑更 多的是在实际生产和现有条件下，如何进一步提高机床的可靠性、加工效率和精 度性能，以创造更大效益，毕竟实际生产情况与实验室的理想条件还是有着很大 的差距。同时就生产中应用数控机床遇到的各种问题，究其根源，做出相应的修 改和调整措施，以达到生产合格产品和提高生产效率的目的。本研究所涉及的正 是这样一个问题：生产实际中数控机床定位精度的影响因素。 本文的工作结合企业具体情况，针对作者所在单位购买的国内某厂生产的 t h 6 5 1 1 0 0 1 0 0 a 型卧式加工中心轴向定位精度超差问题，借鉴国内外关于改善 数控机床精度方面的研究成果，对实际生产中影响机床定位精度的各种因素进行 分析，找出使该加工中心轴向定位精度超差的主要原因，并通过实验予以验证。 同时根据企业生产条件提出提高机床定位精度和误差补偿的现实可行方案，为企 业解决生产技术难题 数控机床定位精度研究 1 2 国内外现有研究成果综述 数控机床定位精度是机床的运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位 置精度，是数控机床有别于其他普通机床的一项重要精度。一般来讲，就是指机 床把刀具的刀尖定位到程序中目标点的准确程度【3 】。机床定位精度是其实际位置 的一致程度，大小用误差表示，包括机械传动误差和控制系统误差。按照机床误差 的动态特性，可以将数控机床的误差分为两类：准静态误差和动态误差，准静态 误差是指存在刀具和工件之间，随时间缓慢变化并与机床自身结构相关的误差， 它主要包括几何误差、运动误差、机床部件偏载产生的误差、热变形误差等。动 态误差则包括主轴运动误差、机床的振动、控制误差等。定位精度与机床的几何 精度一道对机床的切削精度产生重要影响，尤其在孔系加工中对孔距误差具有决 定性的影响。因而一台数控机床可以从它的定位精度来判定其所能加工的精度等 级【4 1 。 目前国内外对于数控机床精度的研究主要集中在精度建模技术、精度检测技 术和误差补偿技术等方面。 1 2 1 机床精度建模技术 在机械加工中，机床加工精度最终是由机床上刀具与工件之间的相对位移决 定的。机床误差运动学建模也称机床精度建模，是对与机床上每一运动副有关的 误差成分，使用合成方法来计算刀具与工件之间的相对运动的误差。早期的研究 采用三角关系来推导几何误差模型。1 9 7 7 年后开始用矢量表达法建立空间误差 模型。近年以来，开发了标准齐次坐标变换方法建立了几何和热误差两者的综合 数学模型。 最早开始对机床精度问题进行研究的国家之一是瑞士，早在1 9 3 3 年，瑞士就 通过对坐标镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响机床定精度的主要因素。 在之后的几十年间，各国对此纷纷展开研究，取得了一定进展。 二十世纪6 0 年代，d l l e e t e ，f r e n c h 和h u m p h r i e s 等人首先用三角关系建立 起了三轴机床的几何误差模型。1 9 7 3 年l o v e 和s c a r r 通过确定机床各误差因素的 综合影响，来分析多轴机床的空间误差。s c h u l t s c h i kr 于1 9 7 7 年用矢量表达方法 分析三轴锉床的空间误差分量，同年r h o c k e n l 在用多维误差矩阵模型提高了 m o o r en o 5c m m 三坐标测量机的测量精度。 1 9 8 6 年f e r r e i r a 和l i u 提出了一种基于刚体运动和小角度误差假说的三轴机 床几何误差的解析二次型模型：d o n m e z 等人推导出车床的广义误差模型，该模 型包括了几何误差和热误差。h a n 和z h o u 等用傅里叶变换建立起了旋转工作台位 置误差模型。1 9 8 8 年前苏联科学家d n r e s h e t o v 和他的同事v t p or t m a n l 根据小 角度误差假设，用变分法的分析方法推导出任意构造机床广义精度模型，包括机 工程硕士学位论文 床成形系统数学模型、物体小位移数学模型和几何误差模型，将机床的误差直接 表达为参数形式，但是该模型没有将零件的加工工艺考虑在内，而实际上加工工 艺对零件的精度影响很大，由该模型预测的零件误差往往小于实际加工误差。 a n j a n a p p a 开发了一种可以合成立式车削中心所有几何误差的运动学模型 1 9 8 9 年e l s h c h n a w y 和h a m 等用刚体运动学模型推导出了坐标测量机的几何 误差。1 9 9 1 年k k i m 和m k k i m 等人用刚体运动学模型建立起了三轴数控机床空 间误差预报模型。1 9 9 2 年s o o n s 等人提出了一种基于刚体假说基础的建模方法， 可以包含旋转轴在内的多轴机床的误差模型；同年c h c n 等人提出了适用于非刚 体条件的运动学模型，而且通过齐次变换方法建立了几何与热误差二者的模型， 该模型考虑了3 2 项误差。 1 9 9 3 年e h m a n n 等了一种直接空间误差分析法，可以评价多轴机床工作的位 置和方向误差；同年k i r i d e n a 等用机构学方法建立了t t t r r ，l u t t r ，r r t t t 形式 的五坐标机床的空间几何误差模型，此后机构学方法被较广泛地用于各种多轴机 床的空间儿何误差建模。 1 9 9 4 年j o h nc z i e g e r t 等人在美国国家科学基金资助下用神经网络对机床运 动误差进行建模，他们用三层感知器神经网络代替机床精度模型，显著减少了测 量机床运动副几何误差的工作量。不过神经网络的方法需要一种能反映机床空间 误差的检具，否则在整个加工空间会发生畸变，目前他们还没能很好地解决这个 问题。1 9 9 6 年s y a n g 和j y u a n 等用c m a c 神经网络对机床热误差进行了建模。 1 9 9 7 年朱建忠博士对d n r e s h e t o v 的变分模型作了进一步完善，将零件的加工工 艺考虑在内，从而使模型更符合实际。 1 9 9 8 年天津大学的刘又午教授等提出了基于多体系统理论的数控机床运动 误差模型、几何误差参数综合辩识模型及相应的检测技术，指出数控机床是特殊 的多体系统，并基于该模型进行了加工中心在线检测误差补偿技术研究和加工中 心热误差补偿研究【6 】，杨建国等用齐次坐标变换原理推出了车削加工中心的几何 与热误差综合模型。2 0 0 0 年r a h m a 等基于齐次坐标矩阵建立起了多轴数控机床的 准静态误差综合空间误差模型，该模型还包含了几何误差、回转轴误差、热误差 和机床部件弹性变形误差【7 ，引。 目前，对于数控机床精度建模技术的研究以静态和准静态误差为主。这些机 床精度模型对精度分析、运动误差检测和补偿提供了一定的帮助，但都存在着通 用性差、表达困难和易产生人为推导错误等问题i5 9 1 事实上，由于影响机床各 种精度的因素过于复杂，在标定上也存在困难，对机床精度模型方面的研究多停 留在实验室阶段。近年来，伴随着神经网络技术和专家系统的应用，误差数学模 型的精度大大提高。而基于多体系统动力学的数控机床空间误差模型也是研究的 热点。 数控机床定位精度研究 1 2 2 机床精度检测技术 要实现数控机床的运动精度诊断，就要高精度地测得机床的实际运动轨迹， 要通过一些实验装置和实验方案来测量刀具或工件在数控机床的空间坐标系中 的相对位置。尤其是随着先进制造技术领域中质量保证的重心从传统的“直接以 工件技术参数为基本点的统计质量控制法s q c ( s t a t i s t i cq u a l i t yc o n t r 0 1 ) 竹向“以 检测和调整制造过程参数和状态参数为基本点的确定性测量方法d m ( d e t e r m i n i s t i cm e t r o l o g y ) ”的过渡，对机床精度的测量诊断更加凸显其重要性 1 9 】。于是许多研究机构纷纷设计出各种机床精度临床检测的仪器，提出了不同的 检测方案。 由于对运动精度的诊断首先要求对多坐标联动轨迹的高精度掌握，因此对于 数控机床而言，常用的方法就是将多坐标联动诡计的考察分解为各坐标平面上按 n c 和c n c 指令执行的圆插补运动考察，然后再加以分析。近2 0 年来，国内外对 机床用运动精度检测的信号采集仪器和方法的研究取得了很大突破，用于机床运 动误差检测的常用仪器已形成了系列。 1 9 8 0 年b u r d e k i n 描述了通过机床的圆轨迹进行机床精度评价的方法。早期形 成的基准棒一单向微位移法( t b u p t e s tb a r & u n i d i m e n s i o n a lp r o b e ) 可以用市 售的微位移计来测定装夹在主轴上的圆柱型基准棒与设置在双向工作台“回转 轴”上参考点距离的变化，其测量精度受到基准棒圆度、机床主轴回转精度和接触 点振动的影响。 1 9 8 2 年j b b r y a n 发明了双球规法( d b b ，d o u b l eb a l lb a r ) ，装置由内部装有微 位移计且可相对伸缩的两套管所组成，套管两端附有钢球并分别与两磁力凹球吸 座相连，吸座之一吸附在双向工作台上，另一吸座装夹在工作主轴上并吸住套管。 当工作台相对主轴作圆插补运动时，可以由内藏式位移计即通过两钢球间实际距 离的变化来检测运动轨迹精度。该方法已形成商品，美、日、英、德都有产品可 售并附带辅助诊断软件。r e n i s h a w 公司开发的q c l 0 型球杆仪是公认的顶尖产品 该仪器曾获得“英国女王奖”，其分辨率为0 1 p m ，测量精度士o 5 p m ，而在诊断机理 及软件方面，日本京都大学做的最好。y o s h i a k ik a k i n o 及其合作者对运用双球规 进行圆测法试验进行了较深入的研究，较早提出了所测径向误差和机床空间点 p ( x ，y ，z ) 的关系式【l 们。该关系式奠定了进一步理论研究的基础，已为多数学者所 采用。 1 9 8 3 年w k n a p p 发明的基准圆盘一双向微位移计测头法( d g b p , d i s kg a u g e a n db i d i m e n s i o n a lp r o b e ) ，用装夹在主轴端的二维微位移计扫划处在双向工作台 上基准圆板的外周面或内周面来获得圆弧插补运动运动轨迹。该方法与t b u p 一 样，虽有利于圆插补运动的质量评判，但很难用于回溯精度异常源。 工程硕士学位论文 19 9 4 年s o k u y a m a 发明全周电容一圆球法( c b p , c a p a c i t a n c eb a l lp r o b e ) ，由 装夹在主轴上的钢球绕固定在双向工作台上的另一钢球回转而作圆插补运动，使 用两钢球作为电容的两极，可以根据两钢球间的间隙的变化来检测圆插补运动轨 迹误差。 l9 9 6 年h e i d e n h a i m t 提出的平面正交光栅法( g g e t , g r o s sg r i de n c o d e rt e s t ) ， 只要在平面光栅的有效工作范围内，不论按n c 指令执行的工作台与主轴所作的 相对运动是规则的圆运动，直线运动或者甚至是不规则的异形平面运动，都可通 过安装在主轴端上的读数头及后续电路直接“读出”其运动轨迹是否精良的信号。 1 9 9 9 年丘华研制的二连杆机构一角编码器法( p t l m ，p l a n et w ol i n k m e c h a n i s m ) ，采用两连杆机构中的一端通过角编码器相铰连，后一连杆的另一端 则与双向工作台的安装块也通过另一角编码器相铰连，可以由两角编码器测出当 工作台作圆插补运动时的起始轨迹的极坐标方程( 与应有的角指令位置和臂长有 关) 与实际位置的差异。19 9 9 年姜明锡提出的四连杆机构法( p f l m ，p l a n ef o u r l i n km e c h a n i s m ) ，采用了四个连杆和电容测微仪和激光一光敏元件通过对位移的 变化来考察圆运动轨迹的变化。2 0 0 0 年韩国的朴喜载等提出了机动球杆法评定机 床三维空间误差技术。 国内在这方面颇有建树的有台湾新竹交大、上海交大以及天津大学的刘又 午、浙江大学的吴昭同和西北工业大学的马锡琪等几位教授及其所在科研团队。 刘又午与吴昭同教授分别改进了d b b 的结构并获得专利，马锡琪教授自行研制了 双球规。 由于早期j b b r y a n 和w k n a p p 等人研究成果的客观导向作用，在国际上基本 上形成了以规则圆轨迹误差运动测试和溯因方法为主流的倾向。上述这些检测仪 器和方法，除c b p 法外几乎都可视为d b b 法的变形，因而都从静态和准静态着眼 做成接触式。即使是非接触式的如c b p 法也只能测试圆运动( 含主轴回转误差和 多轴联动工作台圆插补轨迹) 。尽管它们中有些简单、实用、技术成熟，有些测 量精度高( 如d b b 和p t l m 的测量精度达到了微米级、p t l m 的测量精度达到纳米 级) ，有些溯源性好，从而基本满足了各种场合的需求。然而美中不足的是，除 g g e t 法之外，要么需使用较昂贵的激光双频干涉仪，要么必须使用专门研制的 专用仪器( 如平面正交光栅仪) 。另外，各种各样的纳米测量技术正在得到应用。 如光纤干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、x 射线干涉仪、频率跟踪式法拍 标准量具、扫描电子显微镜( s e m ) 、扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、 分子测量机m 3 ( m o l e c u l a r me a s u r i n gm a h i n e ) 等。这些高精度测量仪器的应用使误 差测量精度有了很大保障和提高【7 , 9 , 1 1 , 1 2 1 。 数控机床定位精度研究 1 2 3 误差补偿技术 减小误差，提高机床加工精度有两种基本方法：误差预防法和误差补偿法。 误差预防法是一种“硬技术”，其通过改进设计和制造途径消除或减少可能的热误 差源，提高机床的制作精度，或者控制温度来满足加工精度要求。误差预防法有 很大的局限性，即使可能，经济上的代价往往是很昂贵的。误差补偿法是人为地 造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高 机床加工精度的手段，其工程意义是非常显著的：采用误差补偿技术可以比较容 易地达到“硬技术”要花费很大代价才能达到的精度水平。满足一定的精度要求 下，若采用误差补偿技术，则可以降低仪器和设备制造的成本，具有非常显著的 经济效益。因而误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认 识，并使之得以迅速发展和推广。 目前，误差补偿技术已经成为以误差补偿为代表的现代精密工程的重要技术 支柱之一。随着现代计算机技术、数控技术及测量系统的高速发展，误差补偿技 术更是如虎添翼有了更加广泛的应用前景。特别在我国，随着我国工业和国民经 济的高速发展，对数控机床数量和质量的要求也越来越高。所以，对数控机床补 偿技术的研究会更加深入，数控机床补偿技术的应用也会更广泛。 具体而言，误差补偿方法就是对理想的数控指令进行修正，通过修正后的数 控指令驱动数控机床，使机床刀具中心精确运动到加工点以达到补偿误差的目的 【5 1 。随着工件加工精度的提高，单纯依靠通过提高机床零部件质量( 加工精度、 刚度与热特性等) 、降低内部热源发热量、严格控制加工环境和使用条件来减小 机床加工误差的误差防止措施，在技术上变得越来越困难，在经济上变得越来越 难以承受。误差补偿技术的应用则是摆脱这一困境的根本性措施。同时，误差补 偿技术的发展和应用突破了只有精密机床才能加工精密零件的传统观念，为利用 数控机床加工精度比机床自身精度而高的工件创造了条件。 机床误差补偿的基本思想就是人为地造出一种新的误差去抵消或大大减少 当前成为问题的原始误差，通过测量、分析、统计及归纳等措施掌握原始误差的 特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造出的误差与和原始误差二者的大 小相等、方向相反，从而减小加工误差，提高零件的加工精度。 从上世纪5 0 年代起，对机床误差补偿技术的研究便开始了。最初的误差补偿 研究主要集中在单项误差源的补偿上，补偿方式则采用硬件补偿，如螺距校正尺 刚性补偿丝杆车床母丝杆螺距误差。 上世纪6 0 年代后，开始对坐标测量机和机床误差补偿进行系统研究，多种误 差计算数学模型相继被提了出来。目前静态的硬件补偿已逐步被使用软件的实时 补偿法所取代。而软件补偿一般首先要通过试验找出机床的系统误差( 也含有某 工程硕士学位论文 些有大致规律可循的随机误差) 的变化规律，建立相应的数学模型。然后借助模 型计算出各位置的补偿值，再经由机床的伺服进给进行补偿【引。 当前大多数数控系统能进行的误差软件补偿主要有三类：丝杠螺距误差补 偿、反向间隙补偿和刀具误差补偿【1 3 16 1 其他的几何和运动误差软件补偿技术 还不够成熟，主要原因在于机床运动的复杂性和测量手段的限制。同时如何提高 软件实时补偿的柔性也是迫切需要解决的问题。 1 2 4 热误差的补偿研究现状 此外，作为数控机床最主要的误差源之一，热误差日益成为人们研究关注的 焦点。减小热误差对提高机床加工精度至关重要。目前减小机床热误差的研究可 分为三类：l 、改进结构设计和提高制造精度：2 、实现温度控制；3 、进行误差 建模和软件补偿。其中误差补偿技术与前二者相比具有显著的有效性和经济性。 进行热误差补偿关键需要解决两方面的问题：如何选择最佳的温度测点和如何建 立鲁棒性较强的热误差补偿模型。目前国内外学者对这两方面问题做了大量的研 究，在温度测点方面较常用的方法有：( 1 ) 逐步线性回归方法；( 2 ) 热误差模态 分析方法；( 3 ) 模糊聚类分析方法。在鲁棒性误差建模方面突破常规建模思路， 采用b p 神经网络和r b f 网络等非线性方法，可以更好地解决批量数控机床误差 补偿的应用问题【1 7 , 1 8 l 。 在国外，从事机床热误差补偿技术比较有影响的有美国的密西根大学、国家 标准和技术所( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 、辛辛那提大学， 日本的东京大学、日立精机，大阪工业机床，德国的阿亨大学、柏林工业大学等。 密西根大学在1 9 9 7 年成功的将热误差补偿技术实施于美国通用( g m ) 公司 下属一家离合器制造厂的1 0 0 多台车削加工中心上，使加工精度提高一倍以上。 他们与美国s m s 公司( s a g i n a wm a c h i n es y s t e mi n c ) 在1 9 9 6 年共同研制和开发 了集热误差、几何误差和切削力误差为一体的误差补偿系统，并成功地实施于该 公司生产的双主轴数控车床上。这几年还为美国波音飞机制造公司的一些加工设 备实施了误差补偿技术，其中一例是加工波音飞机机翼的巨大龙门加工中心( x 、 y 和z 轴的移动距离分别为4 5 、1 0 和4 英尺) 几何和热误差综合补偿，将加工精度 提高了l0 倍。该校的s y a n g 等运用小脑模型连接控制器( c m a c ) 神经网络建立了 机床热误差模型。 美国国家标准和技术所( n i s t ) 是研究机床误差补偿技术的先驱者之一其 成功地把几何和热误差的综合补偿技术应用于生产实际。近几年来，n i s t 致力 于适应性误差修正控制研究，即通过在一定时间段检测工件，然后反馈误差数据 来精确调整误差补偿模型。 日本学者提出了“热刚度”的概念，确立了热变形研究理论向控制机床热变形 数控机床定位精度研究 的c a d 和c a m 方向发展，并取得了一定效果。日本大阪工机公司( o k k 的 t d c f u u z y 主轴头热误差补偿控制器利用模糊控制理论控制主轴头的热误差。 日本东京大学根据智能制造新概念已开发了由热作动力主动补偿综合误差的新 方法，并在加工中心上予以实现。 韩国的s k k i m 等运用有限元方法建立了机床滚珠丝杠系统的温度场。德国 柏林工业大学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变形场算机床部件及 整机的温度场及变形场补偿和微机控制进行数控机床误差实施补偿。 在国内，做出显著成绩的有浙江大学、北京机床研究所、天津大学、华中科 技大学、清华大学、哈尔滨大学、南京航空航天大学、南京理工大学、东南大学、 上海交通大学、台湾的国立台湾大学和台中精机公司等。 浙江大学对机床误差补偿特别是热变形研究得比较早和深入，获得了很多成 果，特别是提出了热敏感点理论，为在机床上温度测点的选取和热误差建模提供 了依据。浙江大学还提出了机床热误差f u z z y 前馈补偿控制策略，根据热误差变 化规律的模糊、非线性特性，采用f u z z y 集理论设计前馈补偿控制器，仿真研究 表明该补偿控制策略可取得令人满意的结果。近年来，浙江大学又进行了人工智 能在机床加工误差补偿中的应用研究。 北京机床研究所研制了智能补偿功能板，并通过总线结构将补偿功能板直接 插入f a n u c 6 m e 数控系统扩充槽，实现机床热误差、运动误差和承载变形误差 的自动补偿。这几年北京机床研究所对数控机床误差的综合动态补偿技术进行了 深入的研究。 天津大学在数控机床误差补偿技术和应用的研究也具有一定的影响，特别是 基于主轴转速的机床热误差状态方程模型、数控机床的位置误差补偿模型建立、 三坐标测量机动态误差建模和补偿、采用模糊聚类分析法进行温度测点的选择 壮 守。 华中科技大学在机床热变形的主动补偿中具有特色，还提出了一种基于神经 网络辨识影响机床热误差关键点的新方法。西安交通大学研制了机床热特性研究 的智能集成系统。哈尔滨工业大学特色于精密测量中的误差补偿技术。 台湾的国立台湾大学和台中精机公司合作进行了“高精度工具机热变形补偿 控制技术”的研究和开发，所获得的成果主要有：误差补偿单板电脑系统模组化、 温度传感器最佳放置点研究、误差补偿单板电脑系统验证、现场快速误差检测系 统等，使所研制的立式工具机的加工精度从5 0 9 m 以上降低到1 0 “m 以下 i s , 1 9 】。 综上所述，国内外在分析机床误差来源、机床精度建模方法研究、误差检测 的手段与设备及误差补偿尤其是热误差的补偿等方面都取得了较大的研究成果， 理论研究不断实现突破，通过一系列实验也得到了令人满意的测试和补偿结果。 然而，将上述研究成果应用到实际生产中还存在一些问题。首先，生产环境 工程硕士学位论文 下影响机床精度的因素和干扰源远比实验室条件下繁多与复杂，而已有各种精度 模型一般都建立在理想情况下，无法将之考虑完全，因此应用于生产时自适应性 差。其次，实验研究与生产研究的关注焦点有所不同，尤其在误差的溯源方面。 大多数的溯源研究都是集中于如何将测量出的总误差分解至数学模型的各个分 量而企业却关注于能将误差源追溯到机床具体的零部件的方法和手段，这样他 们才能迅捷而方便的做出相应调整，以期尽快产生效益。 1 3 本课题来源的背景 本课题直接来源于对企业生产中如何解决机床精度问题进行的研究。由于定 位精度直接影响机床加工精度 2 0 , 2 1 1 ，因此企业必须严格控制包括装配、调整、 环境变化等在内的会对机床定位精度产生影响的因素，避免因其超差而造成损 失。可是在现实生产中，一旦机床在使用时出现定位精度超差问题，由于可能的 影响因素太多，而检测手段和方法有限，往往只能依靠设备维护人员根据经验做 出判断来调整机床甚至于盲目修配、更换零部件，耗时费力不说，也不一定能找 到问题的根源做针对性的有效解决。希望能通过本课题的研究对解决这类问题提 供帮助。 作者所在单位即中国烟草机械集团常德烟草机械有限责任公司于2 0 0 2 年购进了国内某厂生产的t h 6 51 0 0 x 1 0 0 a 型卧式加工中心。该机床为大型卧式 加工中心( 工作台面尺寸为1 0 0 0 m m x l 0 0 0 m m ) 机床的主要特点是转台为数控 转台，机床为立柱移动式，各坐标轴均为全闭环，精度要求高( x 轴定位精度为 0 0 2 6 m m 、y 、z 轴定位精度为0 0 2 0 m m 、b 轴定位精度为18 ”) 。采用的系 s i n u m e r i k 8 4 0 d ，并选用h e i d e n h a i n 的直线光栅尺和圆光栅作为三个直线 坐标和一个旋转坐标( 数控转台) 的全闭环位置检测。 该加工中心到我公司使用一段时间后运转不太正常，经检测发现x 轴和y 轴 的定位精度分别达到0 。0 3 5 m m 和0 0 3 m m 。而在该机床购买伊始检测其x 轴定位精 度仅为8 1 0 4 “m ，同时根据厂家给出的生产说明书技术要求，该加工中心x 轴定 位精度为2 0 p m ，可见其在生产使用过程中发生了精度走失现象，存在严重的定 位精度超差问题。这就直接导致加工出来的产品无法达到出厂的合格要求。作为 我公司重点引进的设备之一，该加工中心承担了大量的加工任务，如此一来，公 司蒙受了巨大的经济损失。经与生产方联系，他们派来技术人员对该加工中心进 行维修和调整。然而依照传统经验进行多方面检测和调试后，精度状况并没有得 到明显改善，这让我们意识到必须从根本上找到误差产生的原因，即针对具体现 象和测量结果进行误差溯源分析，以找出导致定位精度超差的系统误差的根源， 做出相应调整和改善，以达到从根本上消除定位精度超差隐患的目的。 本课题是中国烟草机械集团常德烟草机械责任公司与湖南大学的技术合作 数控机床定位精度研究 开发项目，承担单位是湖南大学，课题负责人是邓朝晖教授。 1 4 本课题完成的主要工作 本课题自2 0 0 4 年下半年展开，历时两年。结合t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 型卧式加工中 心在生产中出现的具体问题，通过对收集到生产现场的机床定位精度数据进行处 理，一边分析问题的影响因素和根源，一边做实验和解决问题，最终确定了 t h 6 5 1 0 0 1 0 0 a 型卧式加工中心定位精度超差的主要影响因素和根源，并针对其 做出了相应的改进和调整措施。 1 深入了解国内外关于数控机床精度和伺服进给系统定位精度方面的研究 成果，并结合t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 型卧式加工中心的具体结构，对各类因素在生产实 际中出现的可能性和影响程度进行理论分析。通过分析排除干扰和环境温度等一 些可能的影响因素，确定问题的主要根源存在于机床的几何误差方面。同时对导 致实际生产中出现的主要结构件几何误差存在变化的因素进行了分析。 2 结合t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 型卧式加工中心x 轴导轨的具体几何误差类型，从理 论上全面分析各类几何误差对定位精度的影响程度，并结合t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 型卧 式加工中心的结构参数，定性地计算导轨直线度误差对定位精度的影响程度，从 理论上分析测量系统和测量方法存在的误差情况。 3 通过在生产条件下的一系列实验，分析和验证上述的结论，对生产中出 现的定位精度超差问题给予圆满解决。 4 根据企业具体条件，提出相应的误差补偿和改善精度的方法，并通过实 验和生产实际予以验证，证明其行之有效。 1 5 本论文组成 ， 本论文主要由以下几部分组成： 第一章绪论：具体介绍了本研究的目的、意义，课题来源与背景，对国内 外现有相关研究成果作了简单综述，交代了完成的主要工作与论文的基本组织结 构。 第二章定位精度的检测与测量误差分析：简要介绍了国内外各种定位精度 标准及其相关内容。对激光干涉仪测量定位精度的原理及实际的应用方案做了说 明，并分析了r e n i s h a w 公司m l l 0 激光干涉仪的测量误差组成。 第三章生产现场影响定位精度的因素分析：分析了伺服进给系统、生产现 场的干扰以及热误差对定位精度的影响，介绍了s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统定位 精度补偿的应用。 第四章导轨几何误差对定位精度的影响分析：介绍了机床导轨误差及 工程硕士学位论文 其对机床精度的影响，说明了t h 6 5 1 0 0 x 1 0 0 a 型卧式加工中心导轨的结构及精 度实际情况，并分别就平行度和直线度进行了分析。 第五章导轨几何误差产生的根