数控机床误差和补偿课件

-数控机床误差和补偿PPT讲座28.1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3cm一、机床误差的分类机床误差包括几何误差、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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.1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，因此可通过修正插补指令来实现，方法为：二、误差补偿原理几何误差补偿模块伺服驱动dCurCmdPos[]dGerErrData[]dTmpErrData[]dRealCmdPos[]总线接口CNC插补指令位置热误差补偿模块数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.1概述3cm2、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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.1概述3cm3、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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology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88.1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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology一、几何误差分析与建模按几何误差的类型分类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1.几何误差分析数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology1）沿X轴移动时，线性位移误差δx(x)、Y向直线度误差δy(x)、Z向直线度误差δz(x)、滚转误差εx(x)、偏摆误差εy(x)和俯仰误差εz(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εxy、εzx、εyz1.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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology2.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：()()()()()()()()()()()()()()()xxxzyyxzyyyxxxyyzzzzxxxyzyxzxzyzyxyzzxzyxzzxyzyx8.2几何误差补偿数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology根据矢量变换原理，将几何综合误差模型分解到各个轴上。___(,,)()()()()()()()()()ExyzxyzExxEyxEzxExyEyyEzyExzEyzEzz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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology1、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究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology2、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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology几何误差补偿方法原理图8.2几何误差补偿178.1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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.3热误差补偿一、热误差的分类1、按热误差的表现分类平移型热误差∆x∆y扭转型热误差α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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology一、热误差的分类2、按热误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∆x8.3热误差补偿数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.3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。分组后的温度数据关联分组典型温度变量选择建模温度变量选择模型精确性误差数据不好优化处理好计算温度变量间的相关系数计算温度变量与热变形间的相关系数计算复相关系数2pR模糊聚类方法优化测温点00()().()xxKKTtgtPP8.3热误差补偿数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology四、热误差补偿方法指令位置显示位置电机指令位置运动控制K0、tanβ、P0位置反馈+-选择开关RS232PLC温度采集独立补偿装置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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology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=-82.0940-0.5159×T1-0.3879×T3+6.4780×T98.3热误差补偿258.1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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology负向运动正向运动XencoderXtabODDD/2D/2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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.4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/21、间隙较小时的补偿方法数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology正向运动反向运动时间补偿值-D/2D/28.4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InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology8.4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，因此准确地判断反向点至关重要。根据数控系统内部提供的位置插补命令，可以准确判断反向点。当前插补周期的位置命令为yi，上一插补周期的位置插补命令为yi-1；=yi-yi-10工作台正向运动;0,工作台负向运动=0反向点处工作台短时间内静止。若的符号由=变为，或由=变