第6章 在线检测与误差补偿技术

1、主讲教师：李颂华主讲教师：李颂华Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法 6.3 6.3 微位移技术微位移技术 依靠所用机床来保证依靠所用机床来保证，机床的精度高于所要求的机床的精度高于所要求的精度，通过购买或研制精密机床来达到目的精度，通过购买或研制精密机床来达到目的即：即：所谓所谓“蜕化蜕化”原则，或称原则，或称“母性母性”原则。原则。机机床精度要高于工件要求的精度。床精度要高于工件要求的精度。

2、 一般零件的加工选用一般零件的加工选用普通机床普通机床；超精密零件超精密零件的加工选用的加工选用超精密机床超精密机床。该途径技术难度大、耗该途径技术难度大、耗资巨大，甚至不可能达到。资巨大，甚至不可能达到。一、保证零件加工精度的途径一、保证零件加工精度的途径 在机床精度较低的机床上，利用误差补偿技术提高加在机床精度较低的机床上，利用误差补偿技术提高加工精度工精度即：即：所谓所谓“进化进化”原则，或称原则，或称“创造性创造性”原则原则，先天不足后天补。，先天不足后天补。近年来，该原则日益受到重近年来，该原则日益受到重视，各国发展很快视，各国发展很快。 在精度比工件要求较低的机床上，利用在精度比工

3、件要求较低的机床上，利用误差补偿误差补偿技术技术，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高 误差的隔离和消除误差的隔离和消除，找出误差源，采取措施使误差，找出误差源，采取措施使误差少产生或不产生。少产生或不产生。 误差补偿技术误差补偿技术。钝化、抵消、均匀化、修正、校正钝化、抵消、均匀化、修正、校正误差，使误差减小误差，使误差减小。在超精密加工中，误差补偿技。在超精密加工中，误差补偿技术已成为提高加工精度的重要手段。术已成为提高加工精度的重要手段。提高现有设备加工精度的途径提高现有设备加工精度的途径二、加工精度的检测二、加工精度的检测l 离线检测离线检

4、测l 在位检测在位检测l 在线检测在线检测也称主动检测或动态检测也称主动检测或动态检测 加工后，从机床上取下工件，进行检测加工后，从机床上取下工件，进行检测只能检测加工后的结果，不能反映加工过程误差的只能检测加工后的结果，不能反映加工过程误差的变化。变化。检测条件好，测量精度高。检测条件好，测量精度高。检测后发现不合格，需重新安装，会产生定位基准检测后发现不合格，需重新安装，会产生定位基准误差。误差。离线检测离线检测 加工后，在机床上不卸下工件进行检测加工后，在机床上不卸下工件进行检测测量仪器需要安装在机床上，检测条件不好。测量仪器需要安装在机床上，检测条件不好。只能检测加工后的结果，不能反映

5、加工过程误差的只能检测加工后的结果，不能反映加工过程误差的变化。变化。检测后发现不合格，可进行返修，无须重新安装，检测后发现不合格，可进行返修，无须重新安装，可免除重新安装后所产生的定位基准误差。可免除重新安装后所产生的定位基准误差。在位检测在位检测 加工过程中同时进行检测加工过程中同时进行检测能连续检测加工过程中误差的变化，了解误差的分布和发展，能连续检测加工过程中误差的变化，了解误差的分布和发展，为误差补偿创造条件。为误差补偿创造条件。检测结果能反映实际加工情况，费用高。检测结果能反映实际加工情况，费用高。测量仪器需要安装在机床上，检测条件不好。测量仪器需要安装在机床上，检测条件不好。会受

6、到加工过程条件的限制，如：传感器的安装、冷却液、切会受到加工过程条件的限制，如：传感器的安装、冷却液、切屑状况等。屑状况等。大多采用非接触传感器，如：激光检测，一般都是自动进行。大多采用非接触传感器，如：激光检测，一般都是自动进行。在线检测在线检测l 直接检测系统直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿：直接检测工件的加工误差，并补偿l 间接检测系统间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿：检测产生加工误差的误差源，并补偿在线检测类型在线检测类型三、误差补偿技术三、误差补偿技术1. 误差补偿概念误差补偿概念 在机械加工中出现的误差采用在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、均化、修正、

7、抵消、均化、“钝化钝化”等措施使误差减小或消除。等措施使误差减小或消除。误差修正误差修正（校正）：指对测量、计算、预测所得的误（校正）：指对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校正差进行修正（校正) )；误差分离误差分离：指从综合测量所得的误差中分离出所需的：指从综合测量所得的误差中分离出所需的单项误差；单项误差；误差抵消误差抵消：指两个或更多个误差的相互抵消；：指两个或更多个误差的相互抵消；误差补偿误差补偿：对一尺寸、形状、位置差值的补足。：对一尺寸、形状、位置差值的补足。修正法修正法 如图，为了提高丝如图，为了提高丝杠车床的螺距精度，杠车床的螺距精度，通过杠杆将修正尺和通过杠杆将修正尺和母

8、丝杠的螺母连接。母丝杠的螺母连接。修正尺上的修正曲线修正尺上的修正曲线使母丝杠的螺母作附使母丝杠的螺母作附加微小转动，从而使加微小转动，从而使刀架产生附加微小位刀架产生附加微小位移来补偿母丝杠的螺移来补偿母丝杠的螺距误差。距误差。抵消法抵消法 如图，为了提高如图，为了提高丝杠车床主轴的回转丝杠车床主轴的回转精度，在装配时人为精度，在装配时人为地选择前后轴承的偏地选择前后轴承的偏心量和偏心方向。心量和偏心方向。 若选择前轴承的若选择前轴承的偏心量小于后轴承的偏心量小于后轴承的偏心量，且两者的偏偏心量，且两者的偏心在同方向，则可将心在同方向，则可将偏心误差抵消一部分，偏心误差抵消一部分，从而提高了

9、主轴的回从而提高了主轴的回转精度。转精度。均化法均化法 多齿分度盘是采用四点易位对角研磨法对上下两个齿盘进多齿分度盘是采用四点易位对角研磨法对上下两个齿盘进行最终加工。上齿盘上下运动与下齿盘产生研磨运动。上齿盘行最终加工。上齿盘上下运动与下齿盘产生研磨运动。上齿盘以正传以正传180180后翻转后翻转9090的顺序转位，其位置为的顺序转位，其位置为0 0-180-180- -9090-270-270-180-180-360-360-270-270-90-90-0-0，八次一个循环，八次一个循环，一次循环后，上齿盘相对下齿盘转动一个齿，再进行下一个循一次循环后，上齿盘相对下齿盘转动一个齿，再进行下

10、一个循环，直至全部齿转完。该研磨方式可使齿距误差充分均匀，得环，直至全部齿转完。该研磨方式可使齿距误差充分均匀，得到很高的分度精度。到很高的分度精度。钝化法钝化法 在车削加工时，由于导轨在垂直面上的纵向直线度会造成刀在车削加工时，由于导轨在垂直面上的纵向直线度会造成刀尖中心高位置的变化，影响工件的加工精度。尖中心高位置的变化，影响工件的加工精度。 a a图为刀具安装在水平位置，若刀尖位置下降图为刀具安装在水平位置，若刀尖位置下降h h值时，工件在半值时，工件在半径上尺寸会增大径上尺寸会增大 ；（误差迟钝方向）；（误差迟钝方向） b b图为刀具安装在垂直位置，若刀尖位置下降图为刀具安装在垂直位置

11、，若刀尖位置下降h h值时，工件在半值时，工件在半径上尺寸会增大径上尺寸会增大 。（误差敏感方向）。（误差敏感方向）hRhR 可见，误差补偿的形式或方法包括：可见，误差补偿的形式或方法包括：误差误差的修正、校正、抵消、均匀化、钝化、分的修正、校正、抵消、均匀化、钝化、分离等离等。加工过程中，实施进行误差补偿，即：在线检测误差补偿，加工过程中，实施进行误差补偿，即：在线检测误差补偿，也也称动态误差补偿。特点：称动态误差补偿。特点：误差补偿精度高；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；不仅可以补偿系统误差，而且可以补偿随机误差；补偿技术复杂，难度大；补偿技术复杂，难度大；实施

12、费用高。实施费用高。2. 误差补偿的类型误差补偿的类型（1 1）实时与非实时误差补偿）实时与非实时误差补偿 实时误差补偿实时误差补偿（在线检测误差补偿或动态误差补偿）：加（在线检测误差补偿或动态误差补偿）：加工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补偿，不仅工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补偿，不仅可以补偿系统误差，且可以补偿随机误差。可以补偿系统误差，且可以补偿随机误差。 非实时误差补偿，也称静态误差补偿非实时误差补偿，也称静态误差补偿特点：特点：只能补偿系统误差，不能补偿随机误差。只能补偿系统误差，不能补偿随机误差。18（2 2）软件与硬件误差补偿）软件与硬件误差补偿 软件

13、补偿软件补偿：通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，：通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，发出运动指令，由数控伺服系统完成误差补偿动作。软件与发出运动指令，由数控伺服系统完成误差补偿动作。软件与硬件补偿的区分是硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件产生的看补偿信息是由软件还是硬件产生的。软。软件补偿的动态性能好，机械结构简单、经济、工作方便可靠。件补偿的动态性能好，机械结构简单、经济、工作方便可靠。通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，发出运动指令，通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，发出运动指令，由数控系统完成误差补偿动作由数控系统完成误差补偿动作。特点：。特点：动态性好，响

14、应快，补偿可随工作状态的变化而即时变化。动态性好，响应快，补偿可随工作状态的变化而即时变化。补偿信息通过计算机完成，一般是数控系统。补偿信息通过计算机完成，一般是数控系统。补偿系统结构简单，工作方便可靠。补偿系统结构简单，工作方便可靠。 硬件误差补偿：硬件误差补偿：补偿信息是由硬件产生补偿信息是由硬件产生 特点：特点：只能补偿系统误差。只能补偿系统误差。（3 3）单项与综合误差补偿）单项与综合误差补偿 综合误差补偿综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差是同时补偿几项误差，比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。补偿要复杂，但效率高、效果好。（4 4）单维与多维误差补偿）单维与多维误差补偿

15、多维误差补偿多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，难度是在多坐标上进行误差补偿，难度和工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿和工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿技术。技术。3. 误差补偿过程误差补偿过程1 1）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找出影）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找出影响误差的主要因素，响误差的主要因素，确定误差项目确定误差项目。2 2）进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离不需）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，要的误差信号，找出工件加工误差与在补偿点的补找出工件加工误差与在补偿点的补偿量之间的关系，建立相应的数学模型偿量之间的

16、关系，建立相应的数学模型。3 3）选择或设计合适的误差补偿）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构控制系统和执行机构，以便在补偿点实现补偿运动。以便在补偿点实现补偿运动。4 4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达到预期要求。到预期要求。1 1）误差信号的检测）误差信号的检测2 2）误差信号的处理）误差信号的处理3 3）误差信号的建模）误差信号的建模建模是找出工件建模是找出工件加工误差加工误差与在补偿与在补偿作用点上作用点上补偿控制量补偿控制量之间的关系。之间的关系。4 4）补偿控制）补偿控制根据所建立的误差模型和实际加工根据所建立的误差模

17、型和实际加工过程，用计算机计算欲补偿的误差过程，用计算机计算欲补偿的误差值，输出补偿控制量。值，输出补偿控制量。5 5）补偿执行机构）补偿执行机构补偿执行机构多用微进给机构完成。补偿执行机构多用微进给机构完成。1 12 23 34 45 5计算机控制系统计算机控制系统误差补偿系统组成示意图误差补偿系统组成示意图1 1误差信号检测误差信号检测 2 2误差信号处理误差信号处理 3 3误差信号建模误差信号建模 4 4补偿控制补偿控制 5 5补偿执行机构补偿执行机构4. 误差补偿系统的组成误差补偿系统的组成误差信号检测误差信号检测检测误差出现的检测误差出现的状态、数值、方向、规律，状态、数值、方向、规

18、律，确定误差项目，误差产生的原因。确定误差项目，误差产生的原因。误差信号误差信号检测是误差补偿的前提和基础。检测是误差补偿的前提和基础。误差信号处理和建模误差信号处理和建模进行误差信号处理，去除干扰信号，分离不进行误差信号处理，去除干扰信号，分离不需要的误差信号；需要的误差信号；建立加工建立加工误差与补偿控制量误差与补偿控制量之间的关系之间的关系数学模型。（高性能计算机）数学模型。（高性能计算机）补偿控制和执行机构补偿控制和执行机构数学模型数学模型补偿控制量；对于数控系统，补偿控制量；对于数控系统，补偿控制量就是正负脉冲数补偿控制量就是正负脉冲数。执行机构执行机构具体执行补偿动作，具体执行补偿

19、动作，微位移机微位移机构，要求位移精度高、分辨率高、频率响应构，要求位移精度高、分辨率高、频率响应快、刚度高等快、刚度高等。5. 误差补偿技术的发展误差补偿技术的发展1 1）预报型补偿）预报型补偿 预报补偿控制预报补偿控制（Forecasting Compensatory ControlFCC）技术，利用在线随机建模理论、先进的传感技术、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，对误差进行建模和预计算机技术、微位移技术等，对误差进行建模和预报，对动态误差进行实时补偿。报，对动态误差进行实时补偿。2）综合型补偿）综合型补偿 对工件尺寸、形状和位置误差同时进行综合补对工

20、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、形状和位置一种误差中的多偿，其中包括对尺寸、形状和位置一种误差中的多项误差进行综合补偿。项误差进行综合补偿。1.1.外圆、孔类形状位置误差的测量方法外圆、孔类形状位置误差的测量方法三点法三点法在在P129测量精密主轴的回转测量精密主轴的回转误差中已经介绍。误差中已经介绍。一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测第第2 2节节 在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法转位法转位法用圆光栅用圆光栅1 1测量角度位置；测量角度位置；用测微仪（测头传感器）测量用测微仪（测头传感器）测量工件形状误差和回转轴系运动工件形状误差和回转轴

21、系运动误差；误差；起点电路提供一个作为角度位起点电路提供一个作为角度位置的起始点信号。置的起始点信号。1.1.外圆、孔类形状位置误差的测量方法外圆、孔类形状位置误差的测量方法一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测第第2 2节节 在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法分离工件和轴系误差的转位法有三种：分离工件和轴系误差的转位法有三种：(1) (1) 反转法反转法测量时只作一次转位（工件与测头对轴系回转测量时只作一次转位（工件与测头对轴系回转180180），共测得两组数据），共测得两组数据)()()(11iiiSMV)()()(22iiiSMV 轴轴系系运运动动误误差差分分别别

22、为为两两次次测测得得的的回回转转、所所测测得得的的两两组组信信号号分分别别为为测测头头传传感感器器两两次次、 )()()()(2121iiiiMMVV 中中工工件件形形状状误误差差部部分分测测头头传传感感器器所所测测得得信信号号 )(iS 采采样样点点序序号号 i采采样样点点角角度度位位置置 i 式中式中若整个检测装置的检测重复性好，则若整个检测装置的检测重复性好，则)()()(21iiiMMM 可得可得 2/)()()(2/)()()(2121iiiiiiVVMVVS (2)(2)闭合等角转位法闭合等角转位法 每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转 角，

23、共测角，共测m m个位个位置，置， ，可得，可得m m组数据组数据0360 m )/360()()(0miSMVii 运运动动误误差差；所所测测得得的的一一组组回回转转轴轴系系测测头头传传感感器器在在某某个个位位置置所所测测得得的的一一组组数数据据；测测头头传传感感器器在在某某个个位位置置 )()( iiMV件形状误差部分；所测得的一组信号中工测头传感器在某个位置)/360(0miSm1 测测量量位位置置序序号号，ii mVMi/)()( 当当m m很大时，很大时， 的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动误差误差)( iS 闭合等角转位法可用于测量径向和轴

24、向运动误差。测量闭合等角转位法可用于测量径向和轴向运动误差。测量工作量大，不能测得高次谐波，不能用于实时控制。工作量大，不能测得高次谐波，不能用于实时控制。(3)(3)对称转位法对称转位法在在0 0度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作一次一次 、 转位角，取转位角等于采样间隔角转位角，取转位角等于采样间隔角 ，共得共得3 3组数据组数据 )()()(0iiiSMV ；采采样样序序号号，n1 ii位位置置所所测测得得的的信信号号；、测测头头传传感感器器分分别别在在、 01200)()()( iiiVVV轴轴系系运运动动误误差差；测测头头传传感感器器

25、所所测测得得回回转转 )(iM 中工件形状误差部分。中工件形状误差部分。测头传感器所测得信号测头传感器所测得信号 )(iS (1)(1)(2)(2)(3)(3)()()()()(12 iiiiiSMSMV )()()()()(11 iiiiiSMSMV 由式（由式（1 1）、（）、（3 3）可得）可得由式（由式（1 1）、（）、（2 2）可得）可得)()()()()(111011iiiiiiMMMVV )()()()()(121210iiiiiiMMMVV 等式等式4 4和和5 5右边虽相等，但实测数据不同，取平均值右边虽相等，但实测数据不同，取平均值 2/)()()(12111iiiiiiM

26、MM 可得一般式可得一般式2/)(/)()(1121111 niiiiiniiinMnMM 由式（由式（4 4）、（）、（5 5）可得）可得（4 4）（5 5） 2/)()()()()(2110101iiiiiiVVVVM 对称转位法可用于测量径向和轴向运动误差，操作方便，但对称转位法可用于测量径向和轴向运动误差，操作方便，但检测工作量较大，也不能用于实时控制。检测工作量较大，也不能用于实时控制。2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 平面类形状位置误差主要针对超精密机床的平面类形状位置误差主要针对超精密机床的导轨直线度、工作台的台面直线度和平面度等。导轨直线度、工作

27、台的台面直线度和平面度等。测量中的测量中的关键问题关键问题是如何分离是如何分离工件形状误差工件形状误差和和机机床直线运动误差床直线运动误差。一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测第第2 2节节 在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法(1)(1)反转法反转法测量分两次进行，在第二次测量分两次进行，在第二次测量时，工件转过测量时，工件转过180180度，得度，得到两组数据到两组数据)()()(11iiixSxMxV )()()(22iiixSxMxV 方向直线位置。方向直线位置。采样点采样点采样点序号；采样点序号；形状误差部分；形状误差部分；测头所测得信号中工件测头所测得信号中

28、工件直线运动误差；直线运动误差；分别为两次测得的机床分别为两次测得的机床、的两组信号；的两组信号；分别为测头两次所测得分别为测头两次所测得、xxixSxMxMxVxViiiiii )()()()()(2121式中式中若检测装置重复性好，可认为若检测装置重复性好，可认为)()()(21iiixMxMxM 可得可得 2/)()()(2/)()()(2121iiiiiixVxVxMxVxVxS (1)(1)反转法（接上页）反转法（接上页）测量需进行两次，不能用于实时控制。测量需进行两次，不能用于实时控制。(2)(2)平移法平移法测量分两次进行，在第二次测量时，测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移

29、一个步距工件平移一个步距S S，得到两组数据，得到两组数据)()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV若机床和检测装置重复性好，可认为若机床和检测装置重复性好，可认为)()()(21iiixMxMxM 可得可得)()()()(211iiiixVxVxSxS 该方法简单方便，不能用于实时控制，且测量误差会产生累积。该方法简单方便，不能用于实时控制，且测量误差会产生累积。(3)(3)两点法两点法取步距取步距S S为两测头的间距进行为两测头的间距进行测量，若将机床直线运动部测量，若将机床直线运动部件的角运动误差件的角运动误差 忽略不忽略不计，则得到与平移法相同的计，则得到与平

30、移法相同的两个方程式两个方程式)()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV)(ix 步距越小，机床直线运动部件的角运动误差越小，但随着步距步距越小，机床直线运动部件的角运动误差越小，但随着步距数的增大，测量误差的累积也增大。由于测量是在一次测量中数的增大，测量误差的累积也增大。由于测量是在一次测量中两测头同时读数，故两测头同时读数，故可用于实时控制可用于实时控制。(4)(4)三点法三点法用间距为步距用间距为步距S S的三个测头进行测的三个测头进行测量，则考虑机床直线运动部件角量，则考虑机床直线运动部件角运动误差运动误差 ，得到，得到3 3组方程组方程)(ix )(2)(

31、)()(2)()(11iiiiiixSxSxSxBxCxA )()()()(1iiiixxSxMxA )()()(iiixSxMxB )()()()(1iiiixxSxMxC （1 1）（2 2）（3 3）将式（将式（1 1）与式（）与式（3 3）相加后减去）相加后减去2 2倍的式（倍的式（2 2）得）得（4 4）令令 由由(4)(4)式可计算出式可计算出(4)(4)三点法三点法( (接上页接上页) )0)()0(ixSS)(xS三点法可避免机床直线运动部件角运动误差的影响，三点法可避免机床直线运动部件角运动误差的影响，可用于实时控制可用于实时控制。难度是要把三点调到一条直线上。难度是要把三点

32、调到一条直线上。因为这三点形成一个测量基准，若不在一条直线上，因为这三点形成一个测量基准，若不在一条直线上，会出现调整误差会出现调整误差 ，若步距数为，若步距数为n n，则由此造成的误，则由此造成的误差将与差将与 成正比。所以此方法不适于用在步距数较成正比。所以此方法不适于用在步距数较多的情况。多的情况。该方法能够在线检测和实时控制。该方法能够在线检测和实时控制。2n1.1.车削工件圆度和圆柱度的误差补偿车削工件圆度和圆柱度的误差补偿圆周装三个电容测头圆周装三个电容测头A A、B B、C C，轴线装，轴线装一个电容测头一个电容测头D D。四台测微仪四台测微仪4 4的输出信号的输出信号-4-4路

33、采样保持路采样保持(S/H)5-(S/H)5-模数转换模数转换(A/D)8-(A/D)8-计算机系统计算机系统1313。装在车床主轴后端的光电码盘装在车床主轴后端的光电码盘3 3产生同产生同步脉冲及采样脉冲。步脉冲及采样脉冲。由计算机、高速信号处理器由计算机、高速信号处理器9 9构成的数构成的数据采集主从系统完成误差信号的采集、据采集主从系统完成误差信号的采集、数据处理、三点法误差分离计算、数数据处理、三点法误差分离计算、数据建模和预报，以及存储、绘图和打据建模和预报，以及存储、绘图和打印等。印等。误差补偿执行机构误差补偿执行机构2 2是一个电致伸缩式是一个电致伸缩式微进给刀架。微进给刀架。工

34、件圆度误差平均减小工件圆度误差平均减小4040，工件圆，工件圆柱度误差平均减小柱度误差平均减小2323二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应用实例2.2.磨削工件圆度的误差补偿磨削工件圆度的误差补偿如图进行外圆磨床主轴径向圆跳动如图进行外圆磨床主轴径向圆跳动补偿控制的实验系统。补偿控制的实验系统。该系统由微处理器该系统由微处理器13、检测装置检测装置(由传感器由传感器5、基准盘、基准盘3和圆感位同和圆感位同步器步器4组成组成)和液压伺服驱动系统和液压伺服驱动系统7组成。微处理器通过时间序列分析组成。微处理器通过时间序列分析方法，进行误差在线建模，根据所方法，进行误差在线

35、建模，根据所建立的模型预报外圆磨床主轴在补建立的模型预报外圆磨床主轴在补偿点上的径向圆跳动误差补偿运动偿点上的径向圆跳动误差补偿运动值，通过液压伺服驱动机构推动工值，通过液压伺服驱动机构推动工件沿砂轮径向进给，进行工件圆度件沿砂轮径向进给，进行工件圆度的补偿控制磨削。的补偿控制磨削。工件圆度误差由工件圆度误差由0.74m减少到减少到0.375 m。3.3.镗削工件内孔圆柱度的误差补偿镗削工件内孔圆柱度的误差补偿造成工件造成工件内孔圆柱度误差内孔圆柱度误差的主要的主要原因是原因是镗杆径向圆跳动误差镗杆径向圆跳动误差和和直直线运动的直线度误差线运动的直线度误差。激光器激光器6 6发出激光束作为基准

36、光发出激光束作为基准光线照射在装在镗杆上的棱镜线照射在装在镗杆上的棱镜3 3，棱镜反射光线位置的变动就反映棱镜反射光线位置的变动就反映了镗杆的运动误差。用了镗杆的运动误差。用x-yx-y双向双向光传感器光传感器7 7检测棱镜反射光线位检测棱镜反射光线位置的变动，测得信号经测量系统置的变动，测得信号经测量系统8 8分析处理后传给计算机系统建分析处理后传给计算机系统建模，然后预报出镗杆在镗刀各切模，然后预报出镗杆在镗刀各切削位置的误差补偿运动，通过驱削位置的误差补偿运动，通过驱动控制压电陶瓷补偿执行机构进动控制压电陶瓷补偿执行机构进行内孔镗削补偿加工。行内孔镗削补偿加工。补偿后的内孔圆柱度误差减少

37、了补偿后的内孔圆柱度误差减少了56566464. .4.4.立铣工件直线度的误差补偿立铣工件直线度的误差补偿误差补偿系统由在线测量系统、微机误差补偿系统由在线测量系统、微机建模与预报系统、补偿驱动系统等组建模与预报系统、补偿驱动系统等组成。成。工件直线度的在线测量系统由发出两工件直线度的在线测量系统由发出两束激光束的激光器束激光束的激光器1010、两只触针式光、两只触针式光传感器传感器4 4和一根作为基准直线的精密直和一根作为基准直线的精密直尺组成，尺组成，采用两点法直接测量采用两点法直接测量。所测数据经补偿计算机系统处理后，所测数据经补偿计算机系统处理后，进行随机数据建模。进行随机数据建模。

38、测量位置和铣刀位置不同，存在时间测量位置和铣刀位置不同，存在时间滞后，采用超前预报。滞后，采用超前预报。根据预报误差控制电液伺服驱动系统根据预报误差控制电液伺服驱动系统5 5，使铣床主轴带动铣刀作上下运动，进使铣床主轴带动铣刀作上下运动，进行补偿。行补偿。该系统能使直线度误差减少该系统能使直线度误差减少8080。5.5.数控立铣工件平面度的误差补偿数控立铣工件平面度的误差补偿误差补偿系统由激光平面度误差在误差补偿系统由激光平面度误差在线测量、液压精密定位和微机控制线测量、液压精密定位和微机控制三部分组成。三部分组成。平面工件平面工件1 1被装夹在夹具被装夹在夹具4 4上，夹具上，夹具装夹在工作

39、台上，夹具内装有一套装夹在工作台上，夹具内装有一套平面度误差测量系统平面度误差测量系统1212，一束激光，一束激光束束9 9作为测针，另一束激光束作为测针，另一束激光束7 7用于用于产生三束反射光线，采用三点法直产生三束反射光线，采用三点法直接测量。接测量。两台步进电机两台步进电机5 5和和6 6分别带动工作台分别带动工作台沿切削方向和进给方向移动。沿切削方向和进给方向移动。测量所得数据经测量系统分析处理测量所得数据经测量系统分析处理后传给计算机系统建模，进行预报，后传给计算机系统建模，进行预报，驱动液压伺服执行机构对工件进行驱动液压伺服执行机构对工件进行平面度误差补偿，平面度误差可减平面度误

40、差补偿，平面度误差可减少少8080。6.6.精密丝杠螺距的误差补偿精密丝杠螺距的误差补偿主轴主轴溜板溜板压电陶瓷压电陶瓷误差补偿系统由微机、微处误差补偿系统由微机、微处理器、测量系统、补偿执行理器、测量系统、补偿执行机构组成。机构组成。光电码盘每转发出一定数量光电码盘每转发出一定数量脉冲（如脉冲（如20482048个、个、10241024个）个）测量主轴的回转位置，线性测量主轴的回转位置，线性位移传感器（如光栅）测量位移传感器（如光栅）测量溜板相对于主轴回转位置的溜板相对于主轴回转位置的位移，两组数据送入微处理位移，两组数据送入微处理器进行在线分析处理，得出器进行在线分析处理，得出机床丝杠的螺

41、距误差数据，机床丝杠的螺距误差数据，再送入微机进行建模，通过再送入微机进行建模，通过微处理器进行预报控制，驱微处理器进行预报控制，驱动压电陶瓷车削补偿执行机动压电陶瓷车削补偿执行机构作螺距误差补偿。能使单构作螺距误差补偿。能使单个螺距误差可减少个螺距误差可减少8989。 微位移系统由微位移系统由微位移机构、检测装置和控制系统微位移机构、检测装置和控制系统组成，组成，为了实现小行程（一般小于毫米级）、高灵敏度和高精度为了实现小行程（一般小于毫米级）、高灵敏度和高精度（一般为亚微米、纳米级）的位移。（一般为亚微米、纳米级）的位移。 微位移机构微位移机构是实现微位移的执行机构，其核心部分是微是实现微

42、位移的执行机构，其核心部分是微位移器件；位移器件；检测装置检测装置是用来测量微位移的移动量及其精度，是用来测量微位移的移动量及其精度，在闭环系统中作为反馈信号；在闭环系统中作为反馈信号；控制系统控制系统用来控制整个系统的用来控制整个系统的工作，通过控制策略实现需求的技术性能指标。工作，通过控制策略实现需求的技术性能指标。一、微位移系统及应用一、微位移系统及应用第第3 3节节 微位移技术微位移技术微位移系统的应用：微位移系统的应用：1 1）微进给）微进给利用微位移机构实现准确的微进给量、微吃刀量和精确对刀。利用微位移机构实现准确的微进给量、微吃刀量和精确对刀。 2 2）误差补偿）误差补偿 在精密

43、机床中，采用粗精结合的两套进给系统，构成两个工在精密机床中，采用粗精结合的两套进给系统，构成两个工作台，粗进给系统形成的粗工作台实现高速大行程，精进给作台，粗进给系统形成的粗工作台实现高速大行程，精进给系统形成的微动工作台对粗工作台的运动进行误差补偿。系统形成的微动工作台对粗工作台的运动进行误差补偿。3 3）精密调整）精密调整调整浮动间隙、焦距和对准坐标原点等。调整浮动间隙、焦距和对准坐标原点等。第第3 3节节 微位移技术微位移技术二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型1.1.机械类微位移机构机械类微位移机构二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型机械

44、类微位移机构特点：机械类微位移机构特点：精度不高，结构复杂、制造技术难精度不高，结构复杂、制造技术难度大，但性能比较稳定、价格便宜、度大，但性能比较稳定、价格便宜、使用方便，应用广泛。使用方便，应用广泛。利用巧妙的机械结构实现微位移。利用巧妙的机械结构实现微位移。其中弹性变形件应用前景较好。可其中弹性变形件应用前景较好。可做成薄片、铰链、伸缩管、扭摆等做成薄片、铰链、伸缩管、扭摆等形式。见图形式。见图6-176-17，单轴柔性铰链是，单轴柔性铰链是一维的，双轴柔性铰链是二维的。一维的，双轴柔性铰链是二维的。可做成矩形和圆形。可做成矩形和圆形。二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型2.2.液压

45、类微位移机构液压类微位移机构采用液压为动力，弹采用液压为动力，弹性膜片为弹性变形元性膜片为弹性变形元件实现微位移。多用件实现微位移。多用于已具有液压系统的于已具有液压系统的设备中。设备中。二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型3.3.电动类微位移机构电动类微位移机构通过选用不同长度的磁致通过选用不同长度的磁致伸缩材料棒或管，改变通伸缩材料棒或管，改变通入线圈电流的强度，即可入线圈电流的强度，即可获得精确的微小位移量。获得精确的微小位移量。二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型电动类微位移机构可分为：电热、电磁、机电耦合效应（电致电动类微位移机构可分为：电热、电磁、机电耦合效应（电致伸缩、压

46、电效应）等多种。伸缩、压电效应）等多种。电热式电热式：利用电热转换，使材料受热伸长而微位移。：利用电热转换，使材料受热伸长而微位移。电磁式电磁式：利用电磁力、（电）磁致伸缩等原理来实现微位移。：利用电磁力、（电）磁致伸缩等原理来实现微位移。电致伸缩电致伸缩和和压电式微压电式微位移机构：利用材料的电致伸缩现象、压位移机构：利用材料的电致伸缩现象、压电效应来实现微位移。电效应来实现微位移。1.1.平行弹性导轨微位移工作台平行弹性导轨微位移工作台 若步进电动机的输入位移为若步进电动机的输入位移为 ，微动工作台的，微动工作台的输出位移为输出位移为 ，两个弹簧的刚度分别为，两个弹簧的刚度分别为 ，则则1

47、x2xAkBkBABkkkxx 12三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台2.2.电磁控制微位移工作台电磁控制微位移工作台三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台第第3 3节节 微位移技术微位移技术若忽略工作台移动时的若忽略工作台移动时的摩擦力，根据电磁铁的摩擦力，根据电磁铁的吸引力等于弹簧的拉力，吸引力等于弹簧的拉力，可得工作台在某方向的可得工作台在某方向的位移位移)2/(2kgABxB-B-磁通密度磁通密度(T)(T)；A-A-磁极截面面积磁极截面面积(m(m2 2) )；-磁导率磁导率(H/m)；k-弹簧刚度弹簧刚度(N/m).工作台移动的距离与通过电磁铁线圈的工作台移动的距离与通过电

48、磁铁线圈的电流和线圈圈数乘积的平方成正比。电流和线圈圈数乘积的平方成正比。3.3.磁致伸缩微位移工作台磁致伸缩微位移工作台磁致伸缩效应磁致伸缩效应：放置于磁场中的材料发生尺寸和形状：放置于磁场中的材料发生尺寸和形状变化的现象。变化的现象。磁致伸缩机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微磁致伸缩机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移的，改变磁场强度可控制伸长伸长运动来实现微位移的，改变磁场强度可控制伸长率，但铁磁材料在磁场的作用下，除了产生磁致伸缩率，但铁磁材料在磁场的作用下，除了产生磁致伸缩外，还伴有发热现象。外，还伴有发热现象。铁磁材料、铁铝合金有正伸长特性，镍有负伸长特性

49、，铁磁材料、铁铝合金有正伸长特性，镍有负伸长特性，钴和钴合金根据材料组织成分有正或负伸长特性。钴和钴合金根据材料组织成分有正或负伸长特性。 三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台第第3 3节节 微位移技术微位移技术4.4.电致伸缩微位移工作台电致伸缩微位移工作台电致伸缩效应电致伸缩效应：电介质在外电场的作用下，由于感：电介质在外电场的作用下，由于感应极化的作用而产生应变，其应变大小与电场强度应极化的作用而产生应变，其应变大小与电场强度的平方成正比，其应变方向与电场方向无关。的平方成正比，其应变方向与电场方向无关。电 致 伸 缩 材 料 ： 铌 镁 酸 铅 系 列 （电 致 伸 缩 材 料 ：

50、 铌 镁 酸 铅 系 列 （ P M NP M N ， 是 由， 是 由PbO,MgO,NbPbO,MgO,Nb2 2O O3 3,TiO,TiO2 2,BaCO,BaCO3 3,ZrO,ZrO等按比例烧结而成）、等按比例烧结而成）、弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应）、双弛豫铁电弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应）、双弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应和良好温度稳定性）体（具有大电致伸缩效应和良好温度稳定性） 、PZTPZT（铅、锆（铅、锆ZrZr、钛）铁电陶瓷系列等。、钛）铁电陶瓷系列等。电致伸缩器件具有结构紧凑、体积小、分辨率高、电致伸缩器件具有结构紧凑、体积小、分辨率高、无发热现象、控制简单等特点

51、。无发热现象、控制简单等特点。三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台第第3 3节节 微位移技术微位移技术5.5.压电效应微位移工作台压电效应微位移工作台1)1)正压电效应正压电效应（简称压电效应）：电介质受到机械应力作用时，（简称压电效应）：电介质受到机械应力作用时，会产生电极化（表面产生电荷），电极化的大小（电荷密度）会产生电极化（表面产生电荷），电极化的大小（电荷密度）与施加的机械应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。与施加的机械应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。 逆压电效应逆压电效应：电介质在外电场的作用下，将产生应变，应变大：电介质在外电场的作用下，将产生应变，应变大小与电场大小成正比，应变方向与电场方向有关，当电场的方小与电场大小成正比，应变方向与电场方向有关，当电场的方向改变时，应变的方向也随着改变。向改变时，应变的方向也随着改变。2)2)压电材料压电材料：铁电晶体和压电晶体两类。：铁电晶体和压电晶体两类。常用的铁电晶体是铁电陶瓷，其变形量大，但压电性不如压电常用的铁电晶体是铁电陶瓷，其变形量大，但压电性不如压电晶体；常用的压电晶体有钛