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1、1,第八章 数控机床误差与补偿,8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化,2,8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化,精度是机床的基础，提高数控机床的精度首先是提高机床各部件的机械精度和动态性能，但机械精度提高到一定程度后就很难再提高了，或者成本太高难以应用。 通过数控系统对误差进行补偿是有效的途径，使用误差补偿技术可以很小的代价获得“硬技术难以达到的精度水平和动态性能。,8.1 概述,一、机床误差的分类,机床误差
2、包括几何误差、间隙误差、热误差、摩擦误差和动态误差五类。,按误差产生原因分类 上述误差按误差产生原因分类： 几何误差和间隙误差属于机床本体误差，热误差、摩擦误差和动态误差属于机床运行误差。,按误差的性质分类 上述误差按误差的性质分类： 几何误差属于静态误差，热误差属于准静态误差，摩擦误差和动态误差属于动态误差，间隙误差虽然属于机械系统误差，但其在机床运行时表现出来，比较特殊。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1 概述,1、几何误差和热误差补偿原理 几何误差和热误差属于静态或准静态误差，
3、因此可通过修正插补指令来实现，方法为：,二、误差补偿原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1 概述,2、间隙和摩擦误差补偿原理 由于间隙和摩擦误差宏观表现和补偿过程有很多相似之处，故经常放在一起。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.1 概述,3、动态误差补偿原理 动态误差的产生是机床运行时，由于伺服系统控制参数不合理或机械系统扰动造成的，因此补偿必须通过伺服参数优化来解决，伺服参
4、数包括位置和速度前馈参数，位置环、速度环和电流环控制参数，以及速度和电流滤波参数等。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,伺服参数不合理造成的的误差,伺服参数优化后结果,8.1 概述,8,8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、几何误差分析与建模,按几何误差的类型
5、分类 移动误差 定位误差，水平直线度 垂直直线度 转动误差 滚转误差，俯仰误差，偏摆误差,任一物体在空间中都具有六个自由度，即沿空间坐标轴X、Y、Z直线方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。 以X轴为例，移动误差包括水平直线度误差，垂直直线度和定位误差 ，转动误差包括滚转误差，俯仰误差和偏摆误差。,8.2 几何误差补偿,几何误差分析,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1）沿X轴移动时， 线性位移误差x(x)、Y向直线度误差y (x)、Z向直线度误差z (x)、滚转误差x (x)、偏摆
6、误差y (x)和俯仰误差z (x) ；,2）沿Y轴移动与沿Z轴移动同理，因此X、Y、Z三个线性轴共有18项误差,3）3轴之间的垂直度误差xy、zx、yz,几何误差分析,三个线性轴共21项误差,8.2 几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2. 几何综合误差建模,首先根据机床结构类型，建立机床坐标系和各运动部件坐标系。 然后运用齐次坐标变换方法，计算得到机床的几何综合误差模型：,8.2 几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Contro
7、l And Equipment Technology,根据矢量变换原理，将几何综合误差模型分解到各个轴上。,轴向几何误差主要是定位误差。 轴间几何误差主要是垂直度误差。,2. 几何综合误差建模,轴向误差,轴间误差,8.2 几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1、螺距/光栅误差,对于螺距测量，将测量行程平均分为N个点，然后激光干涉仪运动到第n个点，获得此点的正方向误差，并在该点多次测量求误差平均值，形成双向误差补偿数据。,二、几何误差测量,8.2 几何误差补偿,数字控制及装备技术研
8、究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2、轴向、轴间误差测量,右图是对角线法测量原理图。 测量3组对角线，解方程组，可得到所需的补偿值： Ex(x)、Ex(y) 、 Ex(z) 、Ey(y)、Ey(x)、Ey(z)、Ez(z) 、Ez(x) 、Ez(y)。,利用激光干涉仪测量机床各个轴的21项几何误差项，再经过转换形成单轴误差补偿数据和轴关系误差补偿数据。,8.2 几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,
9、首先利用测量得到的数据建立补偿表文件(文本文件)，系统启动时将补偿表文件读入数控系统，建立补偿数组。机床返回参考点后，利用查表+线性插值等方法，在每个插补周期对插补指令进行修正。,文件格式：基准轴、补偿轴、初始位置、终点位置、补偿点距离、补偿点的补偿值； 文件可包含多个补偿数组，同一个基准轴可补偿多个补偿轴,三、几何误差补偿,8.2 几何误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,几何误差补偿方法原理图,8.2 几何误差补偿,17,8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿
10、 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3 热误差补偿,一、热误差的分类,1、按热误差的表现分类,y,平移型热误差可以通过误差补偿消除,扭转型热误差不可以通过误差补偿消除,因此，在机床设计时总是希望通过热均衡结构设计，使得热误差方向一致，不会发生扭转型热误差,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、热误差的分类,2、按热误
11、差发生的部位分类,主轴系统热误差,z,进给系统热误差,主轴系统热误差与工作台位置无关，只与温度相关,进给系统热误差除了与温度相关之外，还与工作台的当前位置相关,因此，需要根据不同的热误差形式进行补偿,x,8.3 热误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,二、热误差的测量,1、主轴热变形的测量,主轴系统热误差测量,z,首先在主轴表面布置多个温度传感器,在主轴端面布置非接触式位移传感器，让主轴连续运行，同时采集各温度传感器温度信号和位移传感器位移信号,温度传感器,位移传感器,在主轴端面布置接
12、触式位移传感器，让主轴连续运行一段时间后，记录一次各温度传感器数据，测量一次热变形。,8.3 热误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.3 热误差补偿,二、热误差的测量,2、进给轴热变形的测量,进给系统热误差测量,x,温度传感器,温度传感器,温度传感器,首先在丝杠两端轴承和螺母副处布置温度传感器,让机床工作运动一段时间，采用光栅或激光干涉仪测量进给轴某位置处的定位误差,三、热误差建模,通过热误差测量可得到多个测温点的温度值和热误差值，由于测温点比较多，所以需要对测温点进行优化，找出热
13、敏感点，然后用线性回归的方法建立误差值与热敏感点之间的函数关系。,模糊聚类方法优化测温点,8.3 热误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,四、热误差补偿方法,热误差补偿模块结构框图,8.3 热误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,五、热误差补偿实验,热误差补偿现场,0-4通道测温点数据和主轴热误差数据,热误差补偿结果,Z=-82.0940-0.5159T1-0.3879T3+6
14、.4780T9,8.3 热误差补偿,25,8. 1 概述 8. 2 几何误差补偿 8. 3 热误差补偿 8. 4 间隙误差补偿 8. 5 摩擦误差补偿 8.6 伺服参数优化,一、间隙产生原因及影响,产生原因： 机床滚珠丝杠与螺母副之间存在间隙，不能紧密接触，产生轴窜动。 随着机床的使用，磨损逐渐加剧，产生间隙。 影响： 工作台反向运动时电机空转而工作台并不运动，造成D/2的定位误差，影响机床精度 间隙过大时，动态响应特性变差,发生振荡,解决方案： 采用高精度的滚珠丝杠 安装丝杠时进行预紧 用数控系统指令补偿间隙,8.4 间隙误差补偿,数字控制及装备技术研究所 Institute of Nume
15、rical Control And Equipment Technology,无间隙,二、间隙误差的测量,根据光栅反馈值与位置指令之差，测得机床反向间隙误差D,反向间隙测量,根据激光干涉仪测得的机床实际位置与位置指令之差，测得机床反向间隙误差D,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.4 间隙误差补偿,三、间隙误差的补偿,正向负向时，全部行程之内都补偿D/2 负向正向时，全部行程之内都补偿-D/2,1、间隙较小时的补偿方法,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical
16、 Control And Equipment Technology,正向运动,反向运动,时间,补偿值,-D/2,D/2,8.4 间隙误差补偿,当D较大时，会造成电机加速度过大，系统不平稳，产生振荡；控制器产生饱和现象；产生跟随误差。,间隙补偿值变化情况,解决方案： 间隙补偿量增量式增长：在一定的插补周期内，逐步增加补偿量，实现补偿值的跳跃，而避免了一个周期内补偿值大的变化。,2、间隙较大时的补偿方法,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,8.4 间隙误差补偿,间隙补偿过程中，补偿量的符号会在反向点处发生变化，因此准确地判断
