精密特种加工第5讲在线检测与误差补偿

1、Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining第四讲第四讲 在线检测与误差补偿技术在线检测与误差补偿技术一、保证零件加工精度的途径一、保证零件加工精度的途径 保证零件加工精度的途径：保证零件加工精度的途径：1 1）“蜕化蜕化”原则，或称原则，或称“母性母性”原则。原则。2 2）“进化进化”原则，或称原则，或称“创造性创造性”原则。原则。 提高加工精度的途径：提高加工精度的途径：1 1）隔离和消除误差；）隔离和消除误差；2 2）误差补偿，用相应的措施去钝化、抵消、）误差补偿，用相应的措施去钝

2、化、抵消、均化误差，使误差减小。均化误差，使误差减小。二、加工精度的检测二、加工精度的检测1.1.离线检测离线检测 工件加工完毕后，从机床上取下，在机床工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检测室中进行检测。旁或在检测室中进行检测。2.2.在位检测在位检测 工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进行检测。情况下进行检测。3.3.在线检测在线检测 工件在加工过程中的同时进行检测，又称工件在加工过程中的同时进行检测，又称主动检测、动态检测。主动检测、动态检测。在线检测特点在线检测特点1 1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过）能够连续检测加工过程

3、中的变化，了解在加工过程中误差分布和发展；程中误差分布和发展；2 2）检测结果能反映实际加工情况；）检测结果能反映实际加工情况；3 3）在线检测的难度较大；）在线检测的难度较大；4 4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；要求较高；5 5）一般是自动运行，形成在线检测系统。）一般是自动运行，形成在线检测系统。在线检测类型在线检测类型1 1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿2 2）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿偿三、误

4、差补偿技术三、误差补偿技术1.1.误差补偿的概念误差补偿的概念 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、修正、抵消、均化、钝化均化、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误差补偿。补偿。 从狭义的角度分析：从狭义的角度分析：误差修正误差修正（校正）是指（校正）是指对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校正正) )；误差分离误差分离是指从综合测量所得的误差中分是指从综合测量所得的误差中分离出所需的单项误差；离出所需的单项误差；误差抵消误差抵消是指两个或更是指两个或更多个误差的相互抵消；多个误差的相互抵消；误差补偿误差补

5、偿是对一尺寸、是对一尺寸、形状、位置差值的补足。形状、位置差值的补足。2.2.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加工过程中，实时进行误差加工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补偿，不仅可以补偿检测，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。非实时误差系统误差，且可以补偿随机误差。非实时误差补偿补偿只能补偿系统误差。只能补偿系统误差。（2 2）软件与硬件误差补偿）软件与硬件误差补偿 软件补偿软件补偿通过计算机对所建立的数学模型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，由数控随动系统进

6、行运算后，发出运动指令，由数控随动系统完成误差补偿动作。软件与硬件补偿的区分是完成误差补偿动作。软件与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。2.2.误差补偿的类型误差补偿的类型（3 3）单项与综合误差补偿）单项与综合误差补偿 综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项综合误差补偿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。误差补偿要复杂，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 多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，多维误差补偿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难度和工作量都比较

7、大，是近几年来发展起来的误差补偿技术。的误差补偿技术。3.3.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

8、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4 4）补偿控制）补偿控制5 5）补偿执行机构）补偿执行机构12345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4.4.误差补偿系统的组成误差补

9、偿系统的组成5.5.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 ForeForecasting Compensatory Controlcasting Compensatory ControlFCCFCC技术，利用在线随机建模理论、先进的传感技术、计技术，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报，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。对动态误差进行实时补偿。2 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偿，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

10、和位置一种误差中的多项误差其中包括对尺寸、形状和位置一种误差中的多项误差进行综合补偿。进行综合补偿。一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测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 建立如图所示的直角坐标系。建立如图所示的直角坐标系。O O1 1点的极坐标为点的极坐标为x(x() )和和y(y() )。s(s() )为被测工件的轮廓形状误为被测工件的轮廓形状误差。测微仪差。测微仪A A、B B、C C的输出信号的输出信号分别为分别为A(A() )、B(B() )、C(C() )，则则)()()( xSA 211sin)(cos)()()(

11、 yxSB )sin()()cos()()()(212121 yxSC 消去消去x(x() )和和y(y() )得三点法误差分离基本方得三点法误差分离基本方程为程为)()()()()()()(2131232 SCSCSCCBCAP2212sin/ )sin( C213sin/cos C传传感感器器组组合合信信号号 )( P测量时，若取采样点数为测量时，若取采样点数为N N，则令，则令Nk /2 Nm /211 Nm /222 并将并将)()()()(21312 SCSCSP离散化离散化)()()()(21312mmkSCmkSCkSkP 最后求得任意时刻机床主轴回转运动误差最后求得任意时刻机床

12、主轴回转运动误差)()()(kSkAkx )/2sin()/2cos()()()()(111NmNmkxmkSkBky 只有在主轴回转完整一周后，才能求得回转误差只有在主轴回转完整一周后，才能求得回转误差转位法转位法 采用圆光栅测量角度采用圆光栅测量角度位置，用测微仪（测头位置，用测微仪（测头传感器）测量工件形状传感器）测量工件形状误差和回转轴系运动误误差和回转轴系运动误差，起点电路提供一个差，起点电路提供一个作为角度位置的起始点作为角度位置的起始点信号。信号。转位法转位法反转法反转法测量时只作一次转位，共测得两组数据测量时只作一次转位，共测得两组数据)()()(11iiiSMV )()()(

13、22iiiSMV 轴轴系系运运动动误误差差分分别别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 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

14、时，测头不动，工件相对于轴系转 角，共角，共测测m m个位置，个位置， ，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；件形状误差部分；所测得的一组信号中工所测得的一组信号中工测头传感器在某个位置测头传感器在某个位置 )/360(0miS m1 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

15、的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动误差均运动误差)( iS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所所测测得得回回转转 )(iM 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

16、号号 )(iS (1)(2)(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 取平均值取平均值 2/)()()(12111iiiiiiMMM 一般式一般式2/)(/)()(1121111 niiiiiniiinMnMM 由式（由式（4 4）、（）、（5 5）可得）可得（4）（5） 2/)()()()()(2110101iiiiiiVVVVM

17、 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反转法反转法测量分两次进行，在第二次测量时，工件转过测量分两次进行，在第二次测量时，工件转过180180度，度，得到两组数据得到两组数据)()()(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 )()()()()

18、(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 平移法平移法测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移一个步测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移一个步距距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 两点法两点法取步距取步距S S为两测头的间距进行测量，若将机床直线运动为两测头的间距进行测量，若将机床直线运动部件的角运动误差部件的角运动误差 忽略不计，则得到忽略不计，则得到)()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV)(ix 三点法三点法用间距为步距用间距为步距S S的三个测头进行测量，则考虑机床直线的三个测头进行测量，则考虑机床直线运动部件角运动误差运动部件角运动误差 ，得到，得到3 3组方程组方程)(ix 三点法三点法 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