数控机床误差补偿技术的研究.

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1、i 目目 录录 摘摘 要要 iviv AbstractAbstract v v 第一章第一章 概述概述 - - 1 1 - - 1.1 数控技术的基本概念 .- 1 - 1.1.1 数控技术和数控机床 - 1 - 1.1.2 数控机床的特点.- 1 - 1.1.3 数控机床的分类 - 1 - 1.2 误差补偿技术的研究 .- 1 - 1.2.1 误差补偿现状.- 2 - 1.3 本论文的研究目的意义和研究内容 .- 3 - 1.3.1 研究的目的和意义.- 3 - 1.3.2 研究的主要内容.- 3 - 1.3.3 研究的基本思路和基本方法.- 3 - 第二章第二章 数控机床的进给传动系统数控

2、机床的进给传动系统 - - 4 4 - - 2.1 数控机床对进给传动系统的要求 .- 4 - 2.2 数控机床进给传动装置的结构 .- 4 - 2.2.1 滚珠丝杠螺母机构的结构.- 4 - 2.2.2 进给传动误差 - 5 - 2.2.3 电机与丝杠的联接、传动方式 - 6 - 2.3 数控系统的三种控制方式 .- 6 - 第三章第三章 数控机床的精度及可靠性分析数控机床的精度及可靠性分析 - - 8 8 - - 3.1 数控机床误差的分类 .- 8 - 3.2 误差模型简介 .- 8 - 3.2.1 几何误差 - 8 - 3.2.2 热误差 - 9 - 3.2.3 运动控制误差 .- 1

3、0 - 3.2.4 其它误差 .- 10 - 3.3 数控机床的精度 - 10 - 3.4 数控机床的精度检查 - 11 - 3.4.1 机床几何精度的检查 .- 11 - 3.4.2 机床定位精度的检查 .- 11 - 3.5 数控机床的可靠性 - 12 - ii 3.5.1 我国数控机床的可靠性 .- 12 - 3.5.2 影响数控机床可靠性的因素 .- 13 - 第四章第四章 数控机床位置精度的测试与误差补偿数控机床位置精度的测试与误差补偿 - - 1414 - - 4.1 数控机床位置精度常用的测量方法及评定标准 - 14 - 4.1.1 定位精度和重复定位精度的确定国家标准 GB/T

4、17421.299 评定方法- 14 - 4.2 定位精度测量工具和方法 - 16 - 4.3 数控机床软件补偿原理 - 17 - 4.3.1 螺距补偿原理 .- 17 - 4.3.2 反向间隙补偿 .- 18 - 4.4 实验验证 - 18 - 4.4.1 数控车床 X 轴精度补偿步骤及注意事项。 .- 18 - 4.4.2 编写数控车床 X 轴精度补偿程序 .- 20 - 4.4.3 数据处理 .- 23 - 4.4.4 结果分析 .- 28 - 总总 结结 - - 3030 - - 致致 谢谢 - - 3131 - - 参考文献参考文献 - - 3232 - - iii 图、表清单图、表

5、清单 插图清单插图清单 图 2-1 滚珠丝杠螺母-5- 图 2-2 开环系统控制原理-6- 图 2-3 半闭环控制系统原理图-7- 图 2-4 全闭环控制系统原理图-7- 图 4-1 步距规测量示意图-16- 图 4-2 测量补偿过程-17- 图 4-3 标准检验循环图-17- 图 4-4 螺距补偿原理-18- 图 4-5 补偿前机床精度评价结果-29- 图 4-6 补偿后机床精度评价结果-29- 表格清单表格清单 表 4-1 X 轴补偿前精度检测数据-23- 表 4-2 机床补偿前位置精度测试记录表-23- 表 4-3 X 轴补偿后精度检测数据-26- 表 4-4 机床补偿后位置精度测试记录

6、表-27- iv 数控机床误差补偿技术的研究数控机床误差补偿技术的研究 摘摘 要要 机械制造业发展的一个明显动向是：越来越广泛地应用数控技术，普通机械逐渐被 高效率、高精度的数控机械所代替。数控机床是一种装有计算机数字控制系统的机床， 与普通机床相比，加工精度和生产效率都比较高等优点。本课题针对机械加工中不可避 免的误差问题，研究数控机床误差的控制方法，对提高产品质量具有重要意义。 提高机床精度有两种方法：一种为误差防止法，另一种叫误差补偿法。 本论文主要对数控机床的几何精度问题进行了全面的分析,并在机床误差建模、加工 精度以及软件误差补偿等作了研究。特别是对进给传动系统作了研究，对进给系统中

7、存 在的螺距误差和反向间隙误差，用步距规测量的方法进行了软件误差补偿。 关键词关键词：数控机床；误差模型；误差补偿；螺距误差；反向间隙误差；步距规 v CNC Machine Tool Error Compensation Technology Abstract Machinery manufacturing industry is a clear trend: more and more widespread application of CNC technology, general machinery gradually by high efficiency and high preci

8、sion CNC machines replaced. Computer numerical control machine tool is a digital control system with machine tools, machine tools, compared with the normal processing accuracy and higher productivity are more advantages. The topic for the machining error is inevitable problems of error of CNC machin

9、e tool control method to improve the product quality is important. There are two ways to improve machine tool accuracy. Way for the error prevention method. Another method called error compensation. This thesis focuses on the geometric accuracy of CNC machine tools to conduct a comprehensive analysi

10、s of the issue, and machine tool error modeling and software error compensation of precision machining, etc. are studied. Especially for feed drive system is studied, the existence of the feed system in the pitch error and backlash errors, with the step gauge measurement software error compensation

11、method. Key Words: CNC machine tools; Error model; Error compensation; Pitch error; Backlash error; Step gauge - 1 - 第一章第一章 概述概述 1.1.1 数控技术的基本概念数控技术的基本概念 1.1.1 数控技术和数控机床 数控技术，简称数控（Numerical Control） ，是指利用数字化的信息对机床各部件的 运动及加工过程进行控制的一种技术。 数控机床即是用数控技术实施加工控制的机床。数控机床是典型的数控设备，它的 产生和发展是数控技术产生和发展的重要标志。 1.1.2

12、 数控机床的特点 数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他 辅助装置等。 其与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下主要特点： （1）加工精度高，质量稳定。 （2）能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。 （3）生产效率高。 （4）对产品改型设计的适应性强。 （5）有利于制造技术向综合自动化方向发展。 （6）监控功能强，具有故障诊断的能力。CNC 系统不仅控制机床的运动，而且可对 机床进行全面监控。 （7）减轻工人劳动强度、改善劳动条件。 1.1.3 数控机床的分类 数控机床的种类繁多，根据数控机床的功能和组成的不同，可以从多种角度对数控机 床进

13、行分类。 1） 、按运动控制的特点分类可分为：点位控制数控机床；直线控制数控机床；轮廓 控制数控机床。 2） 、按伺服系统的类型分类可分为：开环控制伺服系统；闭环控制伺服系统；半闭环 伺服系统。 3） 、按功能水平分类可分为：按数控系统的配置和功能不同，数控机床可以分为高级 型、普通型和经济型。 4） 、按工艺用途分类可分为：数控机床按不同工艺用途分类有数控的车床、铣床、磨 床与齿轮加工机床等。 1.2 误差补偿技术的研究 以提高效率为主的自动化和以提高精度为主的精密化，是现代制造技术发展的两个 主要方向。而其中的超精密加工技术，是集测量学、微电子学、近代光学、控制论、信 息论等技术与机械制造

14、技术相融合的一门边缘学科，具有重要的学术价值与显著的社会 经济效益。要实现超精密加工，一方面可以提高机床的制造精度，但其代价昂贵，且精 - 2 - 度的提高也有一定的限度；另一个途径是误差补偿技术，它可以将机床本身的制造误差、 环境因素造成的加工误差、刀具磨损、振动、热变形和力变形等因素的影响综合考虑， 从而获得较高的加工精度，因此是一种经济可行而又具有较大现实意义的措施。 1.2.1 误差补偿现状 近几年来出现了实时测量反馈误差补偿技术和实时预报误差补偿技术，并且有的已 经在生产实践中使用成功，现对其介绍如下： （1）北京机床研究所于 1980 年研究成功的实时在线闭环反馈传动链运动误差补偿

15、 系统。系统以光栅盘作为圆周基准元件，以激光干涉仪作为长度基准元件，基准信号经 分频器，由比相计测的传动链的运动误差，再经过误差方向辨识器判定除误差的方向， 由一独立的脉冲发生器产生均匀脉冲作为环形分配器的输入，由功放电源带动步进电机 驱动误差补偿机构动作，控制部分采用集成电路。 （2）汉江机床厂 SG7720 蜗杆磨床传动链运动误差在线测量与反馈补偿。该系统用 光栅盘和光栅尺分别作为圆周和长度方向基准元件，检测出的基准信号经分频比相后， 采用双积分电路得到与误差大小（代数值）成比例的电压信号，并且用此电压信号控制 一脉冲发生器产生频率与控制电压大小成比例的信号送入环形分配器。此种方法从控制 理论上来说采用的是比例控制器，该控制系统采用中小规模集成电路。光栅盘一圈条纹 数为 21600，光栅尺条纹密度为 100 条/mm，另外读数头有一由正弦尺带动的微动机构， 用以补偿不能进行整数分频时的相位偏移。补偿后传动链运动误差为 0.6，被磨工件 2 内 周期误差为 1。目前这台磨床用于加工国家计量院委托的单啮仪用