误差补偿技术及其应用哈工大

1、第1页第2页一、课题的研究背景一、课题的研究背景二、现有数控系统误差补偿功能二、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四、本课题的主要研究内容提提 纲纲第3页 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。1 研究背景滑枕热变形严重

2、滑枕热变形严重进进给方向给方向导轨静压油温升明显造成导轨静压油温升明显造成热变形热变形立柱热倾斜误差明显立柱热倾斜误差明显开式结构、较大运开式结构、较大运动空间造成几何误动空间造成几何误差明显差明显几何误差开放式结构、运动空间大；热误差载荷重、功率大、运动空间大、运动部件质量大；第4页 反向间隙补偿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 垂度补偿垂

3、度补偿/交叉轴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 跟随误差补偿跟随误差补偿速度前馈，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 摩擦摩擦/过象限补偿过象限补偿 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美国API公司：XD Laser SELFCOMP Solution for与Siemens Sinumerik 840D英国Renishaw公司：RVC-Siemens

4、 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5页1 机床大尺寸空间内几何误差的检测问题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 4 重型数控机床移动部件质量大重型数控机床移动

5、部件质量大载荷变形伺服误差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系统第6页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u重型数控机床主要误差源及其影响因素第8页u多体系统理论4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术u几何误差模型第9页4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术九线法的测量原理示意图 激光跟踪仪测量几何误差检测与辨识实验几何误差检测与辨识实验 “9线法”辨识的测量数据多维激光干

6、涉仪测量第10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检测与辨识实验 21项几何误差辨识结果误差辨识模型 第11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模型验证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12页149厂应用效果4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术第13页149厂应用效果4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术第14页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；4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术第15页 仿真分析模型及结果4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差

7、预测与补偿技术 ADAMS模型系统建模与仿真总体结构流程图系统建模与仿真总体结构流程图 第16页4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术直线插补仿真与实验结果对比第17页4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术圆弧插补仿真与实验结果对比第18页4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术149厂实验结果第19页4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术建模流程提高新机床精度提高新机床精度提升老机床精度提升老机床精度第20页温度传感器的布置4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术第21页测量各温度传感器的温度变化曲线4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术第22页4

8、.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测量条件：650rpm；1000mm/min 67.5小时/1小时；机床型号机床型号：TH6920X轴轴定定位位误误差差X轴轴y向向直直线线度度误误差差X轴轴z向向直直线线度度误误差差第23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测量条件：650rpm；1000mm/min 67.5小时/1小时；机床型号机床型号：TH6920y轴轴定定位位误误差差y轴轴x向向直直线线度度误误差差y轴轴z向向直直线线度度误误差差第24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测量条件：650rpm；1

9、000mm/min 67.5小时/1小时；机床型号机床型号：TH6920W轴轴定定位位误误差差W轴轴X向向直直线线度度误误差差W轴轴Y向向直直线线度度误误差差第25页热关键点优化选择4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术第26页4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术热误差建模多元线性回归建模多元线性回归建模 模型残差模型残差10m预测精度在预测精度在X、Y、Z向分别为向分别为82.9、84.2、95.6第27页4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术立柱热倾斜误差补偿补偿前后立柱倾斜X向误差对比 补偿前后立柱倾斜Z向误差对比 补偿率：71%补偿率：64% 第28页滑枕热伸长检测

10、与补偿4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术申请专利AABB87654321AABB1-滑枕；2-嵌入式补偿器；3-位移传感器；4-位移传感器测头；5-尾部滑动支撑架；6-中部滑动支撑架；7-标准杆；8-刚性连接架 。热膨胀系数：因瓦合金：1.210-6/HT300： 11.510-6/应用于成飞公司的应用于成飞公司的TH6920国家机床质量监督检验中心的检测结果：国家机床质量监督检验中心的检测结果： 补偿前：滑枕热伸长补偿前：滑枕热伸长0.16mm0.16mm，1.2m1.2m行程行程 (6(6小时）小时） 补偿后：滑枕热伸长补偿后：滑枕热伸长0.03mm0.03mm，1.2m1.2m

11、行程行程(6(6小时）小时）4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术第30页滑枕下垂变形有限元分析4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术研制了主轴组件变形误差自动补偿装置4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术液压补偿：l拉紧缸l钢丝绳l静压油膜数字电液比例溢流阀数字电液比例溢流阀控制器控制器补偿前最大值0.25mm补偿后最大值0.02mm滑枕倾斜补偿前后曲线图滑枕倾斜补偿前后曲线图滑枕行程(mm)滑枕倾斜量(mm)数字点位非线性补偿系统数字点位非线性补偿系统第32页立柱前倾补偿原理4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术第33页4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术应用于大连一重定制的TKC

12、-1第34页4.5 动态综合误差补偿系统集成技术方案一：手轮干预功能进行补偿（针对现有重型机床）（针对现有重型机床）方案二：利用西门子840D系统的温度补偿模块（针对新出厂重型机床）（针对新出厂重型机床）误差综合补偿系统原理 （PC与PLC及NCK通信的连接方式） 2、关键点温度的采集 3、第三手轮在西门子840D PL系统中的应用 1、机床坐标位置的实时获取铂电阻温度传感器Pt100；电压输出型温度变送器STWB-X100T；USB2015型号的数据采集卡 。Simodrive 611D驱动的编码器接口 （X412 或者或者X411）MD 11342=4 ；MD11344=1 ；MD3013

13、0=1 ；MD302400=1 ；MD1004 = 2000H DB3X.DBX4.2 ；DB3X.DBX64.2 方案一：手轮干预功能进行补偿（针对现有重型机床）（针对现有重型机床）硬件系统温度采集系统脉冲信号发生电路原理图 误差综合补偿系统与数控系统的连接 方案一：手轮干预功能进行补偿（针对现有重型机床）（针对现有重型机床）第37页PLC周期性地实时检测热误差值，并通过参数SD43900送入NCK单元。方案二：利用西门子840D系统的温度补偿模块（针对新出厂重型机床）（针对新出厂重型机床）利用温度补偿模块进行综合误差动态补偿的流程图 第38页4.6 国家机床质量监督检验中心的检测报告主要结论 误差补偿技术是提高重型数控机床精度的重要的有效手段。 研制了数字点位非线性补偿系统，使TK6920重型数控落地铣镗床的滑枕倾斜变形误差从0.25mm降低到了