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1、精密加工与特种加工精密加工与特种加工Precision 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（超）精密加工与特种加工2024/9/202024/9/20概述概述在在线检测与与误差差补偿方法方法在线检测与误差补偿技术在线检测与误差补偿技术2024/9/202024/9/20一、保一、保证零件加工精度的途径零件加工精度的途径 保保证零件加工精度的途径：零件加工精度的途径：1 1）“蜕化化”原原则，或称，或称“母性母性”原原则。2 2）“进化化”原原则，或称，或称“创造性造性”原原则。 提高加工精度的途径：提高加工精度的途
2、径：1 1）隔离和消除）隔离和消除误差；差；2 2）误差差补偿，用相，用相应的措施去的措施去钝化、抵消、化、抵消、均化均化误差，使差，使误差减小。差减小。第第1 1节节 概述概述2024/9/202024/9/20二、加工精度的二、加工精度的检测1.1.离离线检测 工件加工完工件加工完毕后，从机床上取下，在机床后，从机床上取下，在机床旁或在旁或在检测室中室中进行行检测。2.2.在位在位检测 工件加工完工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的后，在机床上不卸下工件的情况下情况下进行行检测。3.3.在在线检测 工件在加工工件在加工过程中的同程中的同时进行行检测，又称，又称主主动检测、动态检测。2024
3、/9/202024/9/20在在线检测特点特点1 1）能）能够连续检测加工加工过程中的程中的变化，了解在加工化，了解在加工过程中程中误差分布和差分布和发展；展；2 2）检测结果能反映果能反映实际加工情况；加工情况；3 3）在）在线检测的的难度度较大；大；4 4）在）在线检测大都用非接触大都用非接触传感器，感器，对传感器的性能感器的性能要求要求较高；高；5 5）一般是自）一般是自动运行，形成在运行，形成在线检测系系统。在在线检测类型型1 1）直接）直接检测系系统：直接：直接检测工件的加工工件的加工误差，并差，并补偿2 2）间接接检测系系统：检测产生加工生加工误差的差的误差源，并差源，并补偿202
4、4/9/202024/9/20三、三、误差差补偿技技术1.1.误差差补偿的概念的概念 在机械加工中出在机械加工中出现的的误差采用差采用修正、抵消、修正、抵消、均化、均化、钝化化等措施使等措施使误差减小或消除差减小或消除误差差补偿。 从狭从狭义的角度分析：的角度分析：误差修正差修正（校正）是指（校正）是指对测量、量、计算、算、预测所得的所得的误差差进行修正（校行修正（校正正) )；误差分离差分离是指从是指从综合合测量所得的量所得的误差中分差中分离出所需的离出所需的单项误差；差；误差抵消差抵消是指两个或更是指两个或更多个多个误差的相互抵消；差的相互抵消；误差差补偿是是对一尺寸、一尺寸、形状、位置差
5、形状、位置差值的的补足。足。2024/9/202024/9/202.2.误差差补偿的的类型型（1 1）实时与非与非实时误差差补偿 实时误差差补偿加工加工过程中，程中，实时进行行误差差检测，并，并紧接着接着进行行误差差补偿，不，不仅可以可以补偿系系统误差，且可以差，且可以补偿随机随机误差。非差。非实时误差差补偿只能只能补偿系系统误差。差。（2 2）软件与硬件件与硬件误差差补偿 软件件补偿通通过计算机算机对所建立的数学模型所建立的数学模型进行运算后，行运算后，发出运出运动指令，由数控随指令，由数控随动系系统完成完成误差差补偿动作。作。软件与硬件件与硬件补偿的区分是的区分是看看补偿信息是由信息是由软
6、件件还是硬件是硬件产生的。生的。2024/9/202024/9/202.2.误差差补偿的的类型型（3 3）单项与与综合合误差差补偿 综合合误差差补偿是同是同时补偿几几项误差，比差，比单项误差差补偿要复要复杂，但效率高、效果好。，但效率高、效果好。（4 4）单维与多与多维误差差补偿 多多维误差差补偿是在多坐是在多坐标上上进行行误差差补偿，难度和工作量都比度和工作量都比较大，是近几年来大，是近几年来发展起来展起来的的误差差补偿技技术。2024/9/202024/9/203.3.误差差补偿过程程1 1）反复）反复检测出出现的的误差并分析，找出差并分析，找出规律，找出影律，找出影响响误差的主要因素，差
7、的主要因素，确定确定误差差项目目。2 2）进行行误差信号的差信号的处理，去除干理，去除干扰信号，分离不需信号，分离不需要的要的误差信号，差信号，找出工件加工找出工件加工误差与在差与在补偿点的点的补偿量之量之间的关系，建立相的关系，建立相应的数学模型。的数学模型。3 3）选择或或设计合适的合适的误差差补偿控制系控制系统和和执行机构行机构，以便在以便在补偿点点实现补偿运运动。4 4）验证误差差补偿的效果，的效果，进行必要的行必要的调试，保，保证达达到到预期要求。期要求。2024/9/202024/9/201 1）误差信号的差信号的检测2 2）误差信号的差信号的处理理3 3）误差信号的建模差信号的建
8、模4 4）补偿控制控制5 5）补偿执行机构行机构12345计算机控制系算机控制系统误差差补偿系系统组成示意成示意图1 1误差信号差信号检测 2 2误差信号差信号处理理 3 3误差信号建模差信号建模 4 4补偿控制控制 5 5补偿执行机构行机构4.4.误差差补偿系系统的的组成成2024/9/202024/9/205.5.误差差补偿技技术的的发展展1 1）预报型型补偿 ForeForecasting Compensatory Controlcasting Compensatory ControlFCCFCC技技术，利用在，利用在线随机建模理随机建模理论、先、先进的的传感技感技术、计算算机技机技术、
9、微位移技、微位移技术等，等，对误差差进行建模和行建模和预报，对动态误差差进行行实时补偿。2 2）综合型合型补偿 对工件尺寸、形状和位置工件尺寸、形状和位置误差同差同时进行行综合合补偿，其中包括其中包括对尺寸、形状和位置一种尺寸、形状和位置一种误差中的多差中的多项误差差进行行综合合补偿。2024/9/202024/9/20第第2 2节节 在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法一、形状位置一、形状位置误差的在差的在线检测1.1.外外圆、孔、孔类形状位置形状位置误差的差的测量方法量方法三点法三点法 建立如建立如图所示的直角坐所示的直角坐标系。系。O O1 1点的极坐点的极坐标为x(x() )和
10、和y(y() )。s(s() )为被被测工件的工件的轮廓形状廓形状误差。差。测微微仪A A、B B、C C的的输出信号出信号分分别为A(A() )、B(B() )、C(C() )，则2024/9/202024/9/20 消去消去x(x() )和和y(y() )得三点法得三点法误差分离基本方差分离基本方程程为2024/9/202024/9/20测量量时，若取采，若取采样点数点数为N N，则令令并将并将离散化离散化最后求得任意最后求得任意时刻机床主刻机床主轴回回转运运动误差差只有在主只有在主轴回回转完整一周后，才能求得回完整一周后，才能求得回转误差差2024/9/202024/9/20转位法位法
11、采用采用圆光光栅测量角度量角度位置，用位置，用测微微仪（测头传感器）感器）测量工件形状量工件形状误差和回差和回转轴系运系运动误差，起点差，起点电路提供一个路提供一个作作为角度位置的起始点角度位置的起始点信号。信号。2024/9/202024/9/20转位法位法反反转法法测量量时只作一次只作一次转位，共位，共测得两得两组数据数据式中式中若整个若整个检测装置的装置的检测重复性好，重复性好，则可得可得2024/9/202024/9/20闭合等角合等角转位法位法每次每次转位位时，测头不不动，工件相，工件相对于于轴系系转 角，共角，共测m m个位置，个位置， ，可得，可得m m组数据数据当当m m很大很
12、大时， 的平均的平均值忽略不忽略不计，可得回，可得回转轴系平系平均运均运动误差差2024/9/202024/9/20对称称转位法位法在在0 0度位置度位置测完后，完后，测头不不动，工件相，工件相对于于轴系各作系各作一次一次 、 转位角，取位角，取转位角等于采位角等于采样间隔角隔角 ，共得共得3 3组数据数据(1)(2)(3)2024/9/202024/9/20由式（由式（1 1）、（）、（3 3）可得）可得由式（由式（1 1）、（）、（2 2）可得）可得取平均取平均值一般式一般式由式（由式（4 4）、（）、（5 5）可得）可得（4）（5）2024/9/202024/9/202.2.平面平面类形
13、状位置形状位置误差的差的测量方法量方法反反转法法测量分两次量分两次进行，在第二次行，在第二次测量量时，工件，工件转过180180度，度，得到两得到两组数据数据 式中式中2024/9/202024/9/20若若检测装置重复性好，可装置重复性好，可认为可得可得2024/9/202024/9/20平移法平移法测量分两次量分两次进行，在第二次行，在第二次测量量时，工件平移一个步距，工件平移一个步距S S，得到两，得到两组数据数据若机床和若机床和检测装置重复性好，可装置重复性好，可认为可得可得2024/9/202024/9/20两点法两点法取步距取步距S S为两两测头的的间距距进行行测量，若将机床直量，
14、若将机床直线运运动部件的角运部件的角运动误差差 忽略不忽略不计，则得到得到2024/9/202024/9/20三点法三点法用用间距距为步距步距S S的三个的三个测头进行行测量，量，则考考虑机床直机床直线运运动部件角运部件角运动误差差 ，得到，得到3 3组方程方程2024/9/202024/9/20三点法三点法 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（倍的式（2 2）得）得（1 1）（2 2）（3 3）2024/9/202024/9/20二、在二、在线检测与与误差差补偿系系统应用用1.1.车削工件削工件圆度和度和圆柱度的柱度的误差差补偿工件工件圆度度误差差平
15、均减小平均减小4040，工件工件圆柱度柱度误差平均减小差平均减小23232024/9/202024/9/202.2.磨削工件磨削工件圆度的度的误差差补偿工件工件圆度度误差由差由m m减少减少到到0.375 0.375 m。2024/9/202024/9/203.3.镗削工件内孔削工件内孔圆柱度的柱度的误差差补偿补偿后的内后的内孔孔圆柱度柱度误差减少了差减少了565664642024/9/202024/9/204.4.立立铣工件直工件直线度的度的误差差补偿该系系统直直线度度误差减少差减少了了8080。2024/9/202024/9/205.5.数控立数控立铣工件平面度的工件平面度的误差差补偿平面度平面度误差减少了差减少了80802024/9/202024/9/206.6.精密精密丝杠螺距的杠螺距的误差差补偿主主轴溜板溜板压电陶瓷陶瓷单个螺距个螺距误差可减差可减少少89892024/9/202024/9/202024/9/202024/9/20这是是500500纳米的米的测微微头。2024/9/202024/9/20日本三丰的日本三丰的100100纳米米级的的测微微头。2024/9/202024/9/20这是三是三维移移动台，精度微米台，精度微米级。
