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1、精度理论和应用-12 误差补偿和应用 主要内容主要内容 误差补偿基本概念 系统误差补偿分类和应用 如何提高精度? 在精密工程发展初期，提高精度水平的主要 途径是完善传统技术 随着精度水平的进一步提高、如果继续提 高精度水平，除采用新技术外，必须考虑各 误差源的影响方式及如何消除其影响。 随着科学技术飞跃发展的需要，人们对精密机械 提出了很高的要求，用上述传统的保证精度的措 施是无法达到的。 例如超精密加工机床主轴的回转精度要求不超过50nm ， 动力调谐陀螺挠性接头孔的圆度误差不得大于5nm而当前 世界上精度最高的圆度仪（如德国公司生产的EGA，圆度 仪），其主轴回转误差只能保证20NM，仅此
2、测量设备一 项，就保证不了上述精密机件的要求。 为此，发展误差分离技术和补偿技术，使机械精 度达到亚微米级和纳米级，是当代精密工程走向 精密、超精密级的主要途径之一。 误差隔离(减弱) 通过分折和诊断各种误差源，可采取有针对性的 “硬技术”使误差得以消除或减小例如果用严 格的温度控制、隔振措施、气流扰动及环境状态的控制， 以消除或减小系统外的误差源影响，并通过提高 仪器设备中关键部件的制造精度减小系统内的误 差源影响。 误差补偿 误差源可以通过测试经验或其它方法诊断出来这些误差 都有确定的特点和自身表现规律并以其确定的规律影响 测量结果 在不改变测量环境和仪器主要结构的前提下 通过补偿方法和补
3、偿环节(软件成硬件)的加入、便可利用误 差的特点与规律，消除或大大减弱这些误差的影响 例子 误差的隔离和消除-即找出误差产生的根源，采取相 应措施，使误差不产生和少产生 . 2 Lt = 误差 2 t t = 2 Ltt += 2 Ltt += 1 hL tg= 1 sin h R = 1 2 hR tg LL t R tL = = 螺旋误差补偿 误差补偿意义 误差补偿原理是仪器设计中应用广泛而意 义重大的设计原理。 补偿原理的范围非常广泛，它几乎包罗了 精密机械设备、仪器设计中的一切有关调 整、校正、补偿等全部内容。 误差补偿技术用很小的代价便可获得“硬 技术”难以达到的精度水平. 误差补偿
4、 在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、 均化、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， 就是误差补偿的概念。就是误差补偿的概念。 在装配过程中，也可利用误差补偿来提高在装配过程中，也可利用误差补偿来提高 装配精度。装配精度。 举例说明。举例说明。 误差测定法 基本思想是用精度更高的仪器将机床或仪器副误差检定出 来，然后核校定的结果对它进行修正 该系统主要由微处理器、检 测装置和液压伺服驱动系统 组成。微处理器通过时间序 列分析方法，进行误差在线 建模，通过控制液压伺服驱 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
5、削。检测装置由传感 器、基准盘、圆感应同步器 组成。 补偿加工后，工件圆度误差 由0.74u 减少到0.375 u 误差抵消 ？ 龙门铣床横梁 误差减少 为了提高丝杠车床主轴的回转精度，在装配时人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，如果选为地选择前后轴承的偏心量和偏心方向，如果选 择前轴承的偏心量小于后轴承的偏心量，且两者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，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从而提高了主轴的回转精度 误差的均化 多齿分度盘俗称鼠牙盘，是用两个齿数较多并
6、相等的三角多齿分度盘俗称鼠牙盘，是用两个齿数较多并相等的三角 形端面齿的齿盘来分度的，其关键零件是上、下两个齿盘，形端面齿的齿盘来分度的，其关键零件是上、下两个齿盘， 采用四点易位对角研磨法进行终加工。采用四点易位对角研磨法进行终加工。 误差“钝化” 在进行车削加工时， 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，从而影响工件的 加工精度 刀具安装在垂直方向 位置时，刀尖位置下 降正是处于误差敏感 方向，影响较大。因 此使误差出现在与误 差敏感方向相垂直的 地方就会减小其影响 差分方法 在差动式传感器与差动放大器中利用差在差动式传感器与差动放大器中利用差 分方法消除共模干扰
7、的影响，也是误差补分方法消除共模干扰的影响，也是误差补 偿的例子偿的例子 。 闭环法 放大器主要采用闭环放大器，它使放大器放大器主要采用闭环放大器，它使放大器 的开环特性基本上对放大器没有影响。的开环特性基本上对放大器没有影响。 闭环跟踪系统也是闭环的方法实现误差补闭环跟踪系统也是闭环的方法实现误差补 偿的例子，在闭环系统中影响精度的主要偿的例子，在闭环系统中影响精度的主要 因素是零位鉴别误差与反馈环节的误差，因素是零位鉴别误差与反馈环节的误差， 而直馈环节的误差对系统精度基不上没有而直馈环节的误差对系统精度基不上没有 影响影响 综合补偿 综合补偿 利用机械、光学、电气等技术手 段去抵消某些误
8、差，从而达到综合补偿的 目的。 有两个关键环节、一个是修正量的获取方 式、一个是修正方式。 从这两个环节考虑， 这一技术可大致划分为二种类型：基于修 正量预先获取的修正技术和基于实时测量 的修正技术。 误差预报法 对于动态过程或较复杂的过程常采用误差预报对于动态过程或较复杂的过程常采用误差预报 法。例如对于机床，常可按照前面加工件或加工法。例如对于机床，常可按照前面加工件或加工 情况的误差变化规律去预报后面加工件的误差情况的误差变化规律去预报后面加工件的误差 。 从本质上讲，误差补偿就是将噪声、干扰以及非从本质上讲，误差补偿就是将噪声、干扰以及非 被测量信号从测量信号中分离出去，各种信号处被测
9、量信号从测量信号中分离出去，各种信号处 理技术在一定意义上都在完成误差补偿。可以预理技术在一定意义上都在完成误差补偿。可以预 见，随着信息技术的进步误差补偿技术将得到见，随着信息技术的进步误差补偿技术将得到 迅速的发展迅速的发展 误差补偿类型 实时与非实时误差补偿 软件误差补偿与硬件误差补偿 非实时误差补偿 用精度更高的仪器将机器的误差检出来， 在机器工作时，按检定的结果对误差进行 修正。误差的检定可以事先进行，并将检 定的结果以一定方式存入的软件中，在工 作时，将这些检定结果调出来，按它对测 量结果进行修正。这种方法称为非实时误 差补偿。 实时误差补偿 也可以在机器工作的同时，对本身的误差
10、进行标定，并按照检定的结果对它进行修 正。这种方法称为实时误差补偿。 在非实时误差补偿中，误差按事先检定的 结果进行修正，只能补偿系统误差，但不 能补偿随机误差。而采用实时误差补偿， 由于检定得到的就是测量机测里工件时的 误差，因此它能够实时补偿测量机的系统 误差和随机误差 。 突出的优点 由于误差检定是在工作测量同时进行的， 它较好地符合一致性原则，即机器的误差 检定与其工作条件相同，这样许多力变形、 热变形、动态因素的影响彼此接近，在很 大程度上检定得到的误差数据巳包括这些 误差的影响，不必再单独考虑，出而使机 器的模型得到简化，或者说对机器模型的 精确性要求下降。 软件误差补偿与硬件误差
11、补偿 在用精度更高的仪器或样件检出运在用精度更高的仪器或样件检出运 动导轨的误差后，可以用不同的方动导轨的误差后，可以用不同的方 法来实现误差修正。法来实现误差修正。 例如，当发现工作台不是沿直线运动时、例如，当发现工作台不是沿直线运动时、 可以根据检出的误差用研磨加工力法来修可以根据检出的误差用研磨加工力法来修 正导轨，使工作台沿盲线运动正导轨，使工作台沿盲线运动 第二种方法是根据检得的误差，在第二种方法是根据检得的误差，在44 个压个压 电陶瓷上施加适当的电压，使与它相连的电陶瓷上施加适当的电压，使与它相连的 气垫位置发生变化，从而与导轨气垫位置发生变化，从而与导轨22 之间的之间的 气隙
12、发生变化，工作台气隙发生变化，工作台11 可沿要求的方向可沿要求的方向 作直线运动，以消除偏摆与直线度运动误作直线运动，以消除偏摆与直线度运动误 差。差。 第三种方法 第三种方法是不对工作台运动轨迹作任何 修正而只是就它对测量结果的影响进行 补偿。这种方法称为软件补偿，也常称为 计算机辅助提高精度(Computer Aided Accuracy).这种方法最为简单，不需存在执 行机构的频响问题，应用最广。 但是软件补偿也有局限性。它比较适用于 “点”加工或“点”测量情况。 误差补偿主要步骤 误差源的检测和分析 误差运动综合数学模型的建立 误差元素的辨识和建模 误差补偿的执行 误差补偿效果的评价
13、 例：三坐标测量机 三坐标测量机是能够进行三维测量的一种高效的精密测量三坐标测量机是能够进行三维测量的一种高效的精密测量 仪器。该仪器在三个互相垂直的方向上都有导向机构、位仪器。该仪器在三个互相垂直的方向上都有导向机构、位 移测量元件和读数装置，能够方便地测出空间范围内的各移测量元件和读数装置，能够方便地测出空间范围内的各 测点的坐标位置。测点的坐标位置。 三坐标测量机的测量原理 坐标测量机的三个运动轴X,Y,Z, 及分别安装于其 上的3 把测量尺（如光栅尺），在整个测量空间 建立起一个笛卡尔直角坐标系，通常称这个坐标 系为机器坐标系。一切测量运动都在这个坐标系 中进行。放在测量空间的被测工件
14、上各要素被测 部位由测头进行瞄准，测头的运动位置由3把测量 尺记录，并由3个相应的读数头读出中的具体坐标 值，然后将测量信号反馈到计算机进行贮存，计 算机及其相应软件将对测量数据进行计算、处理 和输出 。 三坐标测量机的精度 测量机系统误差的补偿 硬件补偿。按一定设计 精度要求制造修正导轨； 提高导轨副装配精度的补 偿梁结构；调整感应同步 器块的接缝，调节滚动光 栅滚轮的半径及拉压金属 长光栅尺来实现测量机轴 向的定位精度等。 软件补偿。充分利用 计算机的优势，采用软件 补偿方法为提高测量机的 精度开辟出一条新路。和 硬件补偿相比，它具有成 本低、耗时少、补偿效果 显著等特点。 误差补偿技术的
15、应用条件1 具有合适的数学模型具有合适的数学模型误差能否得到补偿，主要看能否 对它建立合适的数学模型；没有合适的数学模型，或是误差不能得到 有效的补偿或是实现起来很团难，并难以获得经济效益。 可补偿误差应占总误差的主要成分可补偿误差应占总误差的主要成分采用的模型 与补偿方法、检测手段等原因，不是所名误差都能得以补偿的。例如 在采用简单热变形模型情况下，弯曲、扭转热变形引起的误差不能得 到补偿，又如，从补偿成本考虑对于机构误差的补偿，通常采用非 实时误差补偿，它只能补偿系统误差，而随机误差不能补偿。只有在 系统误差占机构误差主要成分时，补偿才有意义。在相反情况下，必 须旨先从机械结构及环境条件控
16、制上，减小随机误差及复杂热变形， 补偿才有意义。 误差补偿技术的应用条件2 测量机应具有绝对零位系统测量机应具有绝对零位系统例如采用零位例如采用零位 光栅，使测量机在光栅，使测量机在XX ，YY ，ZZ 三个方向都有绝对零位。检测测量机的误三个方向都有绝对零位。检测测量机的误 差和对它进行补偿都应在以这绝对零位为原点的坐标系统中进行差和对它进行补偿都应在以这绝对零位为原点的坐标系统中进行 数据处理系统有足够的内存容量与响应速数据处理系统有足够的内存容量与响应速 度度为实现误差补偿，数据处理速度应能满足测量要求。在采用硬件为实现误差补偿，数据处理速度应能满足测量要求。在采用硬件 补偿时，补偿机构的响应速度也应能满足要求。补偿时，补偿机构的
