数控机床误差补偿系统研究

兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）1数控机床误差补偿系统研究机械设计制造及其自动化蔺军锋指导教师陈德道（副教授）摘要：随着现代机械制造技术的发展，对工件的精度要求越来越高，作为重要加工工具的数控加工设备的精度指标也在不断更新，这给研究开发领域提出了新的挑战。提高数控机床精度的方法通常有硬补偿和软补偿，其中硬补偿方法涉及到数控装备机械结构的调整及改变，由于成本及效率上的弊端而阻止了广泛研究推广；软补偿技术通常通过数学方法或软件方法提高机床精度，由于方法简单、易于操作而受到了研究者的青睐。关键词：控制系统，误差分析，误差模型，误差补偿1．绪论1．1数控机床精度研究的背景及意义自20世纪中叶数控技术创建以来，机械制造业已经发生了革命性的变化。现代工业中的CAD／CAM、FA、FMS、CAPP等先进制造技术都是建立在数控技术之上的。现代机械制造技术的发展趋势为高效率、高精度、高精密、高质量、高集成、高智能等方向，其中精密和超精密加工技术也是衡量国家机械制造水平的重要标准，在提高国家的国际竞争力中扮演者关键角色，已经成为了现代机械制造业中非常重要的组成部分和主要发展方向。在船舶制造业、汽车制造业、零件加工行业等其他机械制造领域，数控机床都处于不可或缺的地位。近年来，国产的数控机床进入了快速发展时期，通过自主创新的技术成功的打破了发达国家的技术垄断，尽管在技术水平、产业规模、产品种类和服务范围等方面，我国数控机床的功能部件都有了一定的进步，然而，作为世界第一大数控机床消费国和出口国，这些国产的功能部件的适应性和满足度仍远远达不到市场要求，技术依然落后于发达国家。目前，我国的经济处于快速发展阶段，数控机床作为新一代的工作母机在机械制造行业中得到了更加广泛的应用，与此同时，精密加工技术的迅速发展、零件加工精度的不断提高，对数控机床的加工精度也提出了更高的要求。在选购数控机床时，用户大多都十分看重机床的位置精度，尤其是各主轴的定位精度和重复定位精度。但是，大量的统计数据表明，这些在使用中的数控机床的精度通常无法让人满意，约65．7％以上的新机床在安装时都没有符合相应的技术指标，约90％处于使用状态中的数控机床处于失准的工作状态，大量的机床精度都不能达到出厂标准或NI要求。因此，为了及时发现和解决问题、提高零件加工精度，对机床工作状态进行监控以及对机床精度进行经常的测试和调整是非常必要的。目前，误差补偿技术已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。随着现代计算机技术、数控技术及测量系统的高速发展，误差补偿技术更是如虎添翼，有了更广阔的应用前景。特别在我国，随着我国工业和国民经济的高速发展，对数控机床加工质量的要求也越来越高。所以，对数控机床补偿技术的研究会更深入，数控机床补偿技术的应用会更广泛。1．2误差补偿与补偿系统的基本概念误差补偿的基本定义是人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，并尽量让人为造出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反，从而减少加工误差，提高零件的加工精度。最早的误差补偿是通过硬件实现的。例如：根据测出的传动链误差曲线，制造滚齿机的凸轮矫正机构；根据测出的螺距误差曲线，制造丝杆车床的校正尺装置等。硬件补偿属于机械式固定补偿，在机床误差发生变化时，要改变补偿量必须重新制作凸轮、校正尺或重新调整补偿机构。硬件补偿又有不能解决随机误差，缺乏柔性的特点。近年来发展的软件补偿其特点是在对机床本兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）2身不作任何改动的情况下，综合运用当代各学科的先进技术和计算机控制技术来提高机床加工精度。软件补偿克服了硬件补偿的许多困难和缺点，把补偿技术推向了一个新的阶段。在补偿过程中，补偿系统根据误差运动综合数学模型，误差分量模型以及实时反馈（如温度，位置等值）预报机床最终误差，并实时补偿该值。误差补偿的具体执行是通过移动运动副以使刀具和工件在机床空间误差的逆方向上有一相对运动而实现的。当一个补偿系统建立起来后，应对该系统的补偿效果进行分析，以便改进补偿模型或系统从而达到更好的加工精度。2．数控机床的误差分析2．1概述机床是由一系列的开环传动链组成的，在运动链的一端是要进行加工的工件，另一端则是刀具。对这类机构的一个根本要求是刀具与工件间的相对位置误差不能超过规定的范围。应用误差补偿技术，必须建立在对机床误差性质深入了解，将各种误差有效分离的基础上。本机床中影响机床加工精度的主要因素有：1.机床温度变形误差；2.机床零部件和结构的几何误差；3.切削力引起的误差；4.刀具的磨损或安装引起的误差；由于刀具的磨损或安装而引起的误差可由人工调节来减小或消除，具有不可预测性，切削力引起的误差因切削力而异，前人的统计结果显示，它并不占太大的比例，故而这两项误差忽略不计，只研究前面两项误差。2．2误差分类从误差的性质来分，机床的误差主要有力误差、几何误差和温度误差三大类。1、力误差分为半静态力误差和动态力误差两大类，主要是由于机床传动链中传动部件的非刚性引起的。前者主要是由于工件或机床运动部件因重力或夹紧力变形而引起的，后者主要是由于切削力和惯性力引起的。2、几何误差只与刀具或工件所处的位置有关，主要是来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合误差、机床部件的动、静变位等，主要包括因丝杠节距（定位标尺刻度）改变而产生的定位误差，因导轨变形而产生的直线度误差和角运动误差，因定位、安装不精确而产生的坐标轴之间的垂直度误差，因丝杠、齿轮等反向游隙及伺服驱动系统的失效而产生反向游隙误差，以及伺服不匹配误差。3、机床的温度误差主要是由于机床工作时复杂的温度场造成机床各部件的变形即机床的温度动态过程而引起的。机床的温度动态过程，主要是系统受到内外温度源的扰动，使机床各部分产生温变至温度平衡的不稳定阶段，从而造成加工精度下降的导温度变形过程。3．数控机床误差补偿系统图3—1误差补偿系统的示意图数控机床的误差补偿系统主要由三部分构成：数控机床、激光干涉仪和计算机端软件，如图3—1是误差补偿系统的示意图。通过激光干涉仪对数控机床的精度进行测量和数据分析，然后将数据载入计算机端软件进行误差补偿，最后再反馈回给机床。4．几何误差补偿系统机床结构系统的误差即为几何误差，包括机床各部件工作表面的几何形状和相互位置误差。在机床的设计、制造和装配过程中，结构的残余不规则性，造成机床的系统误差。这种误差我们称之为“几何误差”，是由位置传感器的非线性、机器零件相对运动的非正交性和测量过程中每个机器零件运动的非直线性引起的。4．1反向间隙处理的基本思路反向间隙能够存在于任何运动轴上，当轴的运动方向改变时就表现出来。其值大小通常与沿各轴的运动位置无关。由于丝杆的磨损和装配不当，在全轴上反向间隙会不一致，这时必须把丝杆按等间隙值分为几段。引起反向间隙的主要原因在于驱动轴的丝杠副以及丝杠的支撑轴承与轴兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）3承座之间存在间隙。进一步的试验表明，反向间隙其值受温度变化的影响很小。因而可以假设反向间隙在轴的整个运动范围内都是常数。试验表明，反向间隙在轴的中间变化不大，而在轴的两端附近有变化。图4—1反向误差补偿用二维的平面运动可以说明反向间隙对加工运动的影响特点。在图4—1中，当刀具被编程在iX、jX平面内从0P运动到5P时，为了易于说明，认为只在iX方向发生运动方向的改变，而在jX轴方向不改变运动方向，在kX方向没有变化。设ni,x为iX方向点N的坐标。)(e,nix为点ni,x的反向误差。刀具的编程运动轨迹为0P→1P→2P→3P→4P→5P。由于iX方向的反向间隙影响，实际的运动轨迹为0P→1P→2P→'2P→'3P→'4P→'n4P→'5P。如果用反向间隙对刀具驱动程序的指令进行补偿修正，使刀具沿补偿后的路径0P→1P→2P→c2P→c3P→c4P→n4P→5P运动，则实际的运动路径为0P→1P→2P→3P→4P→5P。在图4—1中反向间隙的补偿可分为4种可能的情况。情况1：iX,n+1≥iX,n和iX,n≥iX,n−1，例如0P→1P→2P情况2：iX,n+1≤iX,n和iX,n≥iX,n−1，例如1P→2P→3P情况3：iX,n+1≤iX,n和iX,n≤iX,n−1，例如2P→3P→4P情况4：iX,n+1≥iX,n和iX,n≤iX,n−1，例如3P→4P→5P当加工中心在iX正方向运动，反向误差为零，而负向运动时反向误差为)(e,nix。从0P到2P属于情况1，在路径上不必进行反向误差补偿。从2P运动到3P时属于情况2，反向间隙的误差需要修正。分为两步，首先刀具在iX的负方向移动距离)(e,nix，然后在iX的负方向用)(e,nix对2P到3P目的标值进行变换。当刀具从3P到4P时属于情况3，其轨迹上的目标点需要进行反向误差补偿。当从4P运动到5P时属于情况4，反向误差的修正分为两步，首先刀具向iX的正向移动距离)(e,nix，然后刀具运动到5P。从上面的分析可知，当运动直线在iX方向的斜率为正时，其目标值不受反向误差的影响。当运动直线在iX方向的斜率为负时，其目标点在iX方向的分量要进行反向误差修正。4．2螺距误差问题处理的基本思路螺距误差，从字面上看是指滚珠丝杠的螺距间隙，但在误差补偿中，测量的是每个坐标的实际运动精度；因此，螺距误差不单纯是丝杆的螺距间隙，它还与伺服信号、电机输出、齿轮传动、丝杠传动等等有关。实际上，影响数控机床加工精度的最大因素和丝杠的螺距误差有关，因为经过长时间的磨合，在整个丝杠长度上，总有一段是使用额率最高的，而在这一段与其它不常用的一些地方相比，磨损程度就大一些，总会产生一定程度的差异；对于信号回路以及电机或者齿轮传动，因其与轴运动的区域段关系不很大，因此常规上定义的螺距误差补偿就指的是丝杠运动的螺距误差补偿。等间距螺距误差补偿首先选取机床参考点作为补偿的基准点，机床参考点由反馈系统提供的相应基准脉冲来选择。然后实测出机床某一坐标轴各补偿点的反馈增量值修正，以伺服分辨率为单位存入IFC表。补偿点IFC值=（数据指令值-实际位置值）/伺服分辨率一个完整的IFC表要一次装入，不宜在单个补偿点的基础上进行修改。当其完整性遭到破坏时，可定期刷新IFC表。等间距螺距误差补偿的软件实现过程分以下六步：1、计算工作台离开补偿基准点的距离。EFRRDii式中：iD—采样周期工作台离开补偿基准点的距兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）4离iR———采样周期工作台的绝对位置EFR———补偿基准点的绝对位置图4—2正向补偿和负向补偿2、根据iD的符号决定采用正向被偿(iD0)还是负向补偿(iD0)，如图4—2所示。3、确定当前位置所对应的补偿点号iN。iN=[iD/校正间隔]式中，[]表示取整数部分,校正间隔在确定IFC值时确定,且恒为正数。4、判断当前位置是否需要补偿。若iN=1-iN,无需补偿,否则需要补偿。5、查IFC表，确定补偿点iN上的补偿值。当坐标轴运动方向与补偿方向一致时(对正向补偿iN1-iN，对负向补偿iN1-iN，补偿值i取IFC(iN)，否则，取-IFC(1-iN)。6、修正位置反馈增量及当前位置坐标。△iR+i△iRiR+iiR5．温度误差补偿系统大量研究表明．温度误差是数控机床的最大误差源之一，由温度引起的误差可以占到全部误差的40％-70％。因此减小温度误差对提高机床的加工精度至关重要。5．1温度误差补偿方法由于机床温度变形引起的加工误差会严重影响加工精度，所以温度误差补偿技术很早就引起了世界许多研究机构和大学以及数控机床制造者的注意。早期的软件补偿是通过修改数控加工代码或者执行补偿指令来实现加工误差的补偿。早在1967年，D．French和S．H．Humphries就提出在数控程序的编程阶段解决数控机的误差补偿问题，并且成功地实现了对机床反向间隙的补偿。后来随着计算机技术及检测技术的引入，用计算机接受传感器传来的信号，通过数据处理，分析出误差信号，又由传感器上的零点信号使误差值在计