第6章在线检测与误差补偿技术

2024/3/36.1概述6.2在线检测与误差补偿方法6.3微位移技术2024/3/3第6章在线检测与误差补偿技术2024/3/3一、保证零件加工精度的途径保证零件加工精度的途径：1）“蜕化”原则，或称“母性”原则。机床精度要高于工件要求的精度。2）“进化”原则，或称“创造性”原则。在精度比工件要求较低的机床上，利用误差补偿技术，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高。提高加工精度的途径：1）隔离和消除误差；找出加工误差产生的根源，采取相应措施，使误差不产生或少产生。2）误差补偿用相应的措施去“钝化“、抵消、均化误差，使误差减小。第1节概述2024/3/31.离线检测

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。检测条件较好，测量精度较高。2.在位检测

工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进行检测。可避免离线检测由于定位基准所带来的误差。3.在线检测（主动检测或动态检测）

工件在加工过程中的同时进行检测。能反应实际加工情况，难度较大。二、加工精度的检测第1节概述精度检测按所处的环境分为：2024/3/3在线检测特点1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差分布和发展；2）检测结果能反映实际加工情况；3）在线检测的难度较大；4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；5）一般是自动运行，形成在线检测系统。在线检测类型1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿2）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿二、加工精度的检测第1节概述2024/3/31.误差补偿的概念在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、均化、“钝化”等措施使误差减小或消除。误差修正（校正）：指对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校正)；误差分离：指从综合测量所得的误差中分离出所需的单项误差；误差抵消：指两个或更多个误差的相互抵消；误差补偿：对一尺寸、形状、位置差值的补足。三、误差补偿技术第1节概述2024/3/3修正法三、误差补偿技术第1节概述如图，为了提高丝杠车床的螺距精度，通过杠杆将修正尺和母丝杠的螺母连接。修正尺上的修正曲线使母丝杠的螺母作附加微小转动，从而使刀架产生附加微小位移来补偿母丝杠的螺距误差。2024/3/3抵消法三、误差补偿技术第1节概述如图，为了提高丝杠车床主轴的回转精度，在装配时人为地选择前后轴承的偏心量和偏心方向。若选择前轴承的偏心量小于后轴承的偏心量，且两者的偏心在同方向，则可将偏心误差抵消一部分，从而提高了主轴的回转精度。2024/3/3均化法三、误差补偿技术第1节概述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。上齿盘以正传180°后翻转90°的顺序转位，其位置为0°-180°-90°-270°-180°-360°-270°-90°-0°，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。2024/3/3钝化法三、误差补偿技术第1节概述在车削加工时，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。a图为刀具安装在水平位置，若刀尖位置下降h值时，工件在半径上尺寸会增大；（误差迟钝方向）b图为刀具安装在垂直位置，若刀尖位置下降h值时，工件在半径上尺寸会增大。（误差敏感方向）2024/3/32.误差补偿的类型（1）实时与非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。非实时误差补偿：只能补偿系统误差。（2）软件与硬件误差补偿

软件补偿：通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，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看补偿信息是由软件还是硬件产生的。软件补偿的动态性能好，机械结构简单、经济、工作方便可靠。三、误差补偿技术第1节概述2024/3/3（3）单项与综合误差补偿

综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。（4）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，难度和工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿技术。2.误差补偿的类型三、误差补偿技术第1节概述2024/3/33.误差补偿过程1）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，确定误差项目。2）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，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。3）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构，以便在补偿点实现补偿运动。4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达到预期要求。三、误差补偿技术第1节概述2024/3/31）误差信号的检测2）误差信号的处理3）误差信号的建模建模是找出工件加工误差与在补偿作用点上补偿控制量之间的关系。4）补偿控制根据所建立的误差模型和实际加工过程，用计算机计算欲补偿的误差值，输出补偿控制量。5）补偿执行机构补偿执行机构多用微进给机构完成。12345计算机控制系统误差补偿系统组成示意图1－误差信号检测2－误差信号处理3－误差信号建模4－补偿控制5－补偿执行机构4.误差补偿系统的组成三、误差补偿技术第1节概述2024/3/35.误差补偿技术的发展1）预报型补偿预报补偿控制（Fore－castingCompensatoryControl－FCC）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，对动态误差进行实时补偿。2）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，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。三、误差补偿技术第1节概述2024/3/31.外圆、孔类形状位置误差的测量方法三点法在P129测量精密主轴的回转误差中已经介绍。一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/3转位法用圆光栅1测量角度位置；用测微仪（测头传感器）测量工件形状误差和回转轴系运动误差；起点电路提供一个作为角度位置的起始点信号。1.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第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/3分离工件和轴系误差的转位法有三种：(1)反转法测量时只作一次转位（工件与测头对轴系回转180°），共测得两组数据式中若整个检测装置的检测重复性好，则可得2024/3/3(2)闭合等角转位法每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转角，共测m个位置，，可得m组数据当m很大时，的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动误差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。2024/3/3(3)对称转位法在0度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作一次、转位角，取转位角等于采样间隔角，共得3组数据(1)(2)(3)2024/3/3由式（1）、（3）可得由式（1）、（2）可得等式4和5右边虽相等，但实测数据不同，取平均值可得一般式由式（4）、（5）可得（4）（5）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。2024/3/32.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导轨直线度、工作台的台面直线度和平面度等。测量中的关键问题是如何分离工件形状误差和机床直线运动误差。

一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/32.平面类形状位置误差的测量方法(1)反转法测量分两次进行，在第二次测量时，工件转过180度，得到两组数据

式中一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/3若检测装置重复性好，可认为可得2.平面类形状位置误差的测量方法(1)反转法（接上页）一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法测量需进行两次，不能用于实时控制。2024/3/3(2)平移法测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移一个步距S，得到两组数据若机床和检测装置重复性好，可认为可得2.平面类形状位置误差的测量方法一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法该方法简单方便，不能用于实时控制，且测量误差会产生累积。2024/3/3(3)两点法取步距S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忽略不计，则得到与平移法相同的两个方程式2.平面类形状位置误差的测量方法一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法步距越小，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两测头同时读数，故可用于实时控制。2024/3/3(4)三点法用间距为步距S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，得到3组方程2.平面类形状位置误差的测量方法一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法

（1）（2）（3）将式（1）与式（3）相加后减去2倍的式（2）得（4）2024/3/3令由(4)式可计算出(4)三点法(接上页)2.平面类形状位置误差的测量方法一、形状位置误差的在线检测第2节在线检测与误差补偿方法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。难度是要把三点调到一条直线上。因为这三点形成一个测量基准，若不在一条直线上，会出现调整误差，若步距数为n，则由此造成的误差将与成正比。所以此方法不适于用在步距数较多的情况。该方法能够在线检测和实时控制。2024/3/31.车削工件圆度和圆柱度的误差补偿圆周装三个电容测头A、B、C，轴线装一个电容测头D。四台测微仪4的输出信号-4路采样保持(S/H)5-模数转换(A/D)8-计算机系统13。装在车床主轴后端的光电码盘3产生同步脉冲及采样脉冲。由计算机、高速信号处理器9构成的数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、数据建模和预报，以及存储、绘图和打印等。误差补偿执行机构2是一个电致伸缩式微进给刀架。工件圆度误差平均减小40％，工件圆柱度误差平均减小23％二、在线检测与误差补偿系统应用实例第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/32.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补偿控制的实验系统。该系统由微处理器13、检测装置(由传感器5、基准盘3和圆感位同步器4组成)和液压伺服驱动系统7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，进行工件圆度的补偿控制磨削。工件圆度误差由0.74μm减少到0.375μm。二、在线检测与误差补偿系统应用实例第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/33.镗削工件内孔圆柱度的误差补偿造成工件内孔圆柱度误差的主要原因是镗杆径向圆跳动误差和直线运动的直线度误差。激光器6发出激光束作为基准光线照射在装在镗杆上的棱镜3，棱镜反射光线位置的变动就反映了镗杆的运动误差。用x-y双向光传感器7检测棱镜反射光线位置的变动，测得信号经测量系统8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行内孔镗削补偿加工。补偿后的内孔圆柱度误差减少了56％～64％.二、在线检测与误差补偿系统应用实例第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/34.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、微机建模与预报系统、补偿驱动系统等组成。工件直线度的在线测量系统由发出两束激光束的激光器10、两只触针式光传感器4和一根作为基准直线的精密直尺组成，采用两点法直接测量。所测数据经补偿计算机系统处理后，进行随机数据建模。测量位置和铣刀位置不同，存在时间滞后，采用超前预报。根据预报误差控制电液伺服驱动系统5，使铣床主轴带动铣刀作上下运动，进行补偿。该系统能使直线度误差减少80％。二、在线检测与误差补偿系统应用实例第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/35.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线测量、液压精密定位和微机控制三部分组成。平面工件1被装夹在夹具4上，夹具装夹在工作台上，夹具内装有一套平面度误差测量系统12，一束激光束9作为测针，另一束激光束7用于产生三束反射光线，采用三点法直接测量。两台步进电机5和6分别带动工作台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平面度误差补偿，平面度误差可减少80％。二、在线检测与误差补偿系统应用实例第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/36.精密丝杠螺距的误差补偿主轴溜板压电陶瓷误差补偿系统由微机、微处理器、测量系统、补偿执行机构组成。光电码盘每转发出一定数量脉冲（如2048个、1024个）测量主轴的回转位置，线性位移传感器（如光栅）测量溜板相对于主轴回转位置的位移，两组数据送入微处理器进行在线分析处理，得出机床丝杠的螺距误差数据，再送入微机进行建模，通过微处理器进行预报控制，驱动压电陶瓷车削补偿执行机构作螺距误差补偿。能使单个螺距误差可减少89％。二、在线检测与误差补偿系统应用实例第2节在线检测与误差补偿方法2024/3/3

微位移系统由微位移机构、检测装置和控制系统组成，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。微位移机构是实现微位移的执行机构，其核心部分是微位移器件；检测装置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；控制系统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。一、微位移系统及应用第3节微位移技术2024/3/3微位移系统的应用：1）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。2）误差补偿在精密机床中，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）精密调整调整浮动间隙、焦距和对准坐标原点等。一、微位移系统及应用第3节微位移技术2024/3/3二、微位移机构的类型第3节微位移技术1.机械类微位移机构2024/3/3二、微位移机构的类型第3节微位移技术2024/3/3二、微位移机构的类型第3节微位移技术机械类微位移机构特点：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、使用方便，应用广泛。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。可做成薄片、铰链、伸缩管、扭摆等形式。见图6-17，单轴柔性铰链是一维的，双轴柔性铰链是二维的。可做成矩形和圆形。2024/3/3二、微位移机构的类型第3节微位移技术2.液压类微位移机构采用液压为动力，弹性膜片为弹性变形元件实现微位移。多用于已具有液压系统的设备中。2024/3/3二、微位移机构的类型第3节微位移技术3.电动类微位移机构通过选用不同长度的磁致伸缩材料棒或管，改变通入线圈电流的强度，即可获得精确的微小位移量。2024/3/3二、微位移机构的类型第3节微位移技术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、压电效应）等多种。电热式：利用电热转换，使材料受热伸长而微位移。电磁式：利用电磁力、（电）磁致伸缩等原理来实现微位移。电致伸缩和压电式微位移机构：利用材料的电致伸缩现象、压电效应来实现微位移。2024/3/31.平行弹性导轨微位移工作台

若步进电动机的输入位移为，微动工作台的输出位移为，两个弹簧的刚度分别为，则三、典型微位移工作台第3节微位移技术2024/3/32.电磁控制微位移工作台三、典型微位移工作台第3节微位移技术若忽略工作台移动时的摩擦力，根据电磁铁的吸引力等于弹簧的拉力，可得工作台在某方向的位移B-磁通密度(T)；A-磁极截面面积(m2)；µ-磁导率(H/m)；k-弹簧刚度(N/m).工作台移动的距离与通过电磁铁线圈的电流和线圈圈数乘积的平方成正比。2024/3/33.磁致伸缩微位移工作台磁致伸缩效应：放置于磁场中的材料发生尺寸和形状变化的现象。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，钴和钴合金根据材料组织成分有正或负伸长特性。三、典型微位移工作台第3节微位移技术2024/3/34.电致伸缩微位移工作台电致伸缩效应：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（PMN，是由PbO,MgO,Nb2O3,TiO2,BaCO3,ZrO等按比例烧结而成）、弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应）、双弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应和良好温度稳定性）、PZT（铅、锆Zr、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、无发热现象、控制简单等特点。三、典型微位移工作台第3节微位移技术2024/3/35.压电效应微位移工作台1)正压电效应（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）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：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，当电场的方向改变时，应变的方向也随着改变。2)压电材料：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，但压电性不如压电晶体；常用的压电晶体有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）（用在微位移上较多，灵敏度高，机电耦合系数大，材料性能稳定性好，相变温度高（300°C），可做高温压电元件）。三、典型微位移工作台第3