第6章在线检测与误差补偿技术

1、2021-7-23 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法 6.3 6.3 微位移技术微位移技术 2021-7-23 第第6 6章章 在线检测与误差补偿技术在线检测与误差补偿技术 2021-7-23 一、保证零件加工精度的途径一、保证零件加工精度的途径 保证零件加工精度的途径：保证零件加工精度的途径： 1 1）“蜕化蜕化”原则，或称原则，或称“母性母性”原则。原则。 机床精度要高于工件要求的精度。机床精度要高于工件要求的精度。 2 2）“进化进化”原则，或称原则，或称“创造性创造性”原则。原则。 在精度比工件要求较低的机床上，利用在精度比工件要求

2、较低的机床上，利用误差补偿技术误差补偿技术，提高加，提高加 工精度，使加工精度比机床原有精度高。工精度，使加工精度比机床原有精度高。 提高加工精度的途径：提高加工精度的途径： 1 1）隔离和消除误差；）隔离和消除误差； 找出加工误差产生的根源，采取相应措施，使误差不产生或少找出加工误差产生的根源，采取相应措施，使误差不产生或少 产生。产生。 2 2）误差补偿）误差补偿 用相应的措施去用相应的措施去“钝化钝化“、抵消、均化误差，使误差减小。、抵消、均化误差，使误差减小。 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 1.1.离线检测离线检测 工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检测室工件加

3、工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检测室 中进行检测。检测条件较好，测量精度较高。中进行检测。检测条件较好，测量精度较高。 2.2.在位检测在位检测 工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进行检工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进行检 测。可避免离线检测由于定位基准所带来的误差。测。可避免离线检测由于定位基准所带来的误差。 3.3.在线检测（主动检测或动态检测）在线检测（主动检测或动态检测） 工件在加工过程中的同时进行检测。能反应实际加工情工件在加工过程中的同时进行检测。能反应实际加工情 况，难度较大。况，难度较大。 二、加工精度的检测二、加工精度的检测 第第1 1节节 概述概述

4、 精度检测按所处的环境分为：精度检测按所处的环境分为： 2021-7-23 在线检测特点在线检测特点 1 1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差 分布和发展；分布和发展； 2 2）检测结果能反映实际加工情况；）检测结果能反映实际加工情况； 3 3）在线检测的难度较大；）在线检测的难度较大； 4 4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高； 5 5）一般是自动运行，形成在线检测系统。）一般是自动运行，形成在线检测系统。 在线检测类型在线检测类型 1 1）直接检测系

5、统直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿：直接检测工件的加工误差，并补偿 2 2）间接检测系统间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿：检测产生加工误差的误差源，并补偿 二、加工精度的检测二、加工精度的检测 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 1.1.误差补偿的概念误差补偿的概念 在机械加工中出现的误差采用在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、均化、修正、抵消、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。 误差修正误差修正（校正）：指对测量、计算、预测所得的误（校正）：指对测量、计算、预测所得的误 差进行修正（校正差进行修正（校正) )； 误差分离

6、误差分离：指从综合测量所得的误差中分离出所需的：指从综合测量所得的误差中分离出所需的 单项误差；单项误差； 误差抵消误差抵消：指两个或更多个误差的相互抵消；：指两个或更多个误差的相互抵消； 误差补偿误差补偿：对一尺寸、形状、位置差值的补足。：对一尺寸、形状、位置差值的补足。 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 修正法修正法 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 如图，为了提高丝杠如图，为了提高丝杠 车床的螺距精度，通车床的螺距精度，通 过杠杆将修正尺和母过杠杆将修正尺和母 丝杠的螺母连接。修丝杠的螺母连接。修 正尺上的修正曲线使

7、正尺上的修正曲线使 母丝杠的螺母作附加母丝杠的螺母作附加 微小转动，从而使刀微小转动，从而使刀 架产生附加微小位移架产生附加微小位移 来补偿母丝杠的螺距来补偿母丝杠的螺距 误差。误差。 2021-7-23 抵消法抵消法 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 如图，为了提高丝杠如图，为了提高丝杠 车床主轴的回转精度，车床主轴的回转精度， 在装配时人为地选择在装配时人为地选择 前后轴承的偏心量和前后轴承的偏心量和 偏心方向。偏心方向。 若选择前轴承的偏心若选择前轴承的偏心 量小于后轴承的偏心量小于后轴承的偏心 量，且两者的偏心在量，且两者的偏心在 同方向，则可将偏心同方向，则

8、可将偏心 误差抵消一部分，从误差抵消一部分，从 而提高了主轴的回转而提高了主轴的回转 精度。精度。 2021-7-23 均化法均化法 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 多齿分度盘是采用四点易位对角研磨法对上下两个齿盘进行最多齿分度盘是采用四点易位对角研磨法对上下两个齿盘进行最 终加工。上齿盘上下运动与下齿盘产生研磨运动。上齿盘以正终加工。上齿盘上下运动与下齿盘产生研磨运动。上齿盘以正 传传180180后翻转后翻转9090的顺序转位，其位置为的顺序转位，其位置为0 0-180-180-90-90- - 270270-180-180-360-360-270-270-90-

9、90-0-0，八次一个循环，一次循，八次一个循环，一次循 环后，上齿盘相对下齿盘转动一个齿，再进行下一个循环，直环后，上齿盘相对下齿盘转动一个齿，再进行下一个循环，直 至全部齿转完。至全部齿转完。 该研磨方式可使齿距误差充分均匀，得到很高的分度精度。该研磨方式可使齿距误差充分均匀，得到很高的分度精度。 2021-7-23 钝化法钝化法 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 在车削加工时，由于导轨在垂直面上的纵向直线度会造成刀尖中在车削加工时，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，影响工件的加工精度。心高位置的变化，影响工件的加工精度。 a a图为刀具

10、安装在水平位置，若刀尖位置下降图为刀具安装在水平位置，若刀尖位置下降h h值时，工件在半径值时，工件在半径 上尺寸会增大上尺寸会增大 ；（误差迟钝方向）；（误差迟钝方向） b b图为刀具安装在垂直位置，若刀尖位置下降图为刀具安装在垂直位置，若刀尖位置下降h h值时，工件在半径值时，工件在半径 上尺寸会增大上尺寸会增大 。（误差敏感方向）。（误差敏感方向） hR hR 2021-7-23 2.2.误差补偿的类型误差补偿的类型 （1 1）实时与非实时误差补偿）实时与非实时误差补偿 实时误差补偿实时误差补偿（在线检测误差补偿或动态误差补偿）：（在线检测误差补偿或动态误差补偿）： 加工过程中，实时进行

11、误差检测，并紧接着进行误差补加工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补 偿，不仅可以补偿系统误差，且可以补偿随机误差。偿，不仅可以补偿系统误差，且可以补偿随机误差。 非实时误差补偿非实时误差补偿：只能补偿系统误差。：只能补偿系统误差。 （2 2）软件与硬件误差补偿）软件与硬件误差补偿 软件补偿软件补偿：通过计算机对所建立的数学模型进行运算：通过计算机对所建立的数学模型进行运算 后，发出运动指令，由数控伺服系统完成误差补偿动作。后，发出运动指令，由数控伺服系统完成误差补偿动作。 软件与硬件补偿的区分是软件与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件看补偿信息是由软件还是硬件 产生的产生的。

12、软件补偿的动态性能好，机械结构简单、经济、。软件补偿的动态性能好，机械结构简单、经济、 工作方便可靠。工作方便可靠。 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 （3 3）单项与综合误差补偿）单项与综合误差补偿 综合误差补偿综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差补是同时补偿几项误差，比单项误差补 偿要复杂，但效率高、效果好。偿要复杂，但效率高、效果好。 （4 4）单维与多维误差补偿）单维与多维误差补偿 多维误差补偿多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，难度和是在多坐标上进行误差补偿，难度和 工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿技工作量都比较大，是

13、近几年来发展起来的误差补偿技 术。术。 2.2.误差补偿的类型误差补偿的类型 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 3.3.误差补偿过程误差补偿过程 1 1）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找出影）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找出影 响误差的主要因素，响误差的主要因素，确定误差项目确定误差项目。 2 2）进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离不需）进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离不需 要的误差信号，要的误差信号，找出工件加工误差与在补偿点的补找出工件加工误差与在补偿点的补 偿量之间的关系，建立相应的数学模型偿量之间的关系，建立相应的数

14、学模型。 3 3）选择或设计合适的误差补偿）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构控制系统和执行机构， 以便在补偿点实现补偿运动。以便在补偿点实现补偿运动。 4 4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达 到预期要求。到预期要求。 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 1 1）误差信号的检测）误差信号的检测 2 2）误差信号的处理）误差信号的处理 3 3）误差信号的建模）误差信号的建模 建模是找出工件建模是找出工件加工误差加工误差与与 在补偿作用点上在补偿作用点上补偿控制量补偿控制量 之间的关系。之间

15、的关系。 4 4）补偿控制）补偿控制 根据所建立的误差模型和实根据所建立的误差模型和实 际加工过程，用计算机计算际加工过程，用计算机计算 欲补偿的误差值，输出补偿欲补偿的误差值，输出补偿 控制量。控制量。 5 5）补偿执行机构）补偿执行机构 补偿执行机构多用微进给机补偿执行机构多用微进给机 构完成。构完成。 12345 计算机控制系统计算机控制系统 误差补偿系统组成示意图误差补偿系统组成示意图 1 1误差信号检测误差信号检测 2 2误差信号处理误差信号处理 3 3误差信号建模误差信号建模 4 4补偿控制补偿控制 5 5补偿执行机构补偿执行机构 4.4.误差补偿系统的组成误差补偿系统的组成 三、

16、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 5.5.误差补偿技术的发展误差补偿技术的发展 1 1）预报型补偿）预报型补偿 预报补偿控制预报补偿控制（Forecasting Compensatory ControlFCC）技术，）技术， 利用在线随机建模理论、先进的传感技术、计算机技术、利用在线随机建模理论、先进的传感技术、计算机技术、 微位移技术等，对误差进行建模和预报，对动态误差进微位移技术等，对误差进行建模和预报，对动态误差进 行实时补偿。行实时补偿。 2）综合型补偿）综合型补偿 对工件尺寸、形状和位置误差同时进行综合补偿，其中对工件尺寸、形状和位置误差同时

17、进行综合补偿，其中 包括对尺寸、形状和位置一种误差中的多项误差进行综包括对尺寸、形状和位置一种误差中的多项误差进行综 合补偿。合补偿。 三、误差补偿技术三、误差补偿技术 第第1 1节节 概述概述 2021-7-23 1.1.外圆、孔类形状位置误差的测量方法外圆、孔类形状位置误差的测量方法 三点法三点法 在在P129测量精密主轴的回转测量精密主轴的回转 误差中已经介绍。误差中已经介绍。 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 2021-7-23 转位法转位法 用圆光栅用圆光栅1 1测量角度位置；测量角度位置； 用测微仪（

18、测头传感器）测量用测微仪（测头传感器）测量 工件形状误差和回转轴系运动工件形状误差和回转轴系运动 误差；误差； 起点电路提供一个作为角度位起点电路提供一个作为角度位 置的起始点信号。置的起始点信号。 1.1.外圆、孔类形状位置误差的测量方法外圆、孔类形状位置误差的测量方法 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 2021-7-23 分离工件和轴系误差的转位法有三种：分离工件和轴系误差的转位法有三种： (1) (1) 反转法反转法 测量时只作一次转位（工件与测头对轴系回转测量时只作一次转位（工件与测头对轴系回转18018

19、0），）， 共测得两组数据共测得两组数据 )()()( 11iii SMV )()()( 22iii SMV 轴轴系系运运动动误误差差分分别别为为两两次次测测得得的的回回转转、 所所测测得得的的两两组组信信号号分分别别为为测测头头传传感感器器两两次次、 )()( )()( 21 21 ii ii MM VV 中中工工件件形形状状误误差差部部分分测测头头传传感感器器所所测测得得信信号号 )( i S 采采样样点点序序号号 i 采采样样点点角角度度位位置置 i 式中式中 若整个检测装置的检测重复性好，则若整个检测装置的检测重复性好，则)()()( 21iii MMM 可得可得 2/)()()( 2

20、/)()()( 21 21 iii iii VVM VVS 2021-7-23 (2)(2)闭合等角转位法闭合等角转位法 每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转 角，共测角，共测m m个位个位 置，置， ，可得，可得m m组数据组数据 0 360 m )/360()()( 0 miSMV ii 运运动动误误差差；所所测测得得的的一一组组回回转转轴轴系系测测头头传传感感器器在在某某个个位位置置 所所测测得得的的一一组组数数据据；测测头头传传感感器器在在某某个个位位置置 )( )( i i M V 件形状误差部分；所测得的一组信号中工测头传感器在某个位置)/3

21、60( 0 miS m1 测测量量位位置置序序号号，ii mVM i /)()( 当当m m很大时，很大时， 的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动 误差误差 )( i S 闭合等角转位法可用于测量径向和轴向运动误差。测量工作闭合等角转位法可用于测量径向和轴向运动误差。测量工作 量大，不能测得高次谐波，不能用于实时控制。量大，不能测得高次谐波，不能用于实时控制。 2021-7-23 (3)(3)对称转位法对称转位法 在在0 0度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作 一次一次 、 转位角，取转位角等于采样间隔角转

22、位角，取转位角等于采样间隔角 ， 共得共得3 3组数据组数据 )()()( 0iii SMV ；采采样样序序号号，n1 ii 位位置置所所测测得得的的信信号号；、测测头头传传感感器器分分别别在在、 0 120 0)()()( iii VVV 轴轴系系运运动动误误差差；测测头头传传感感器器所所测测得得回回转转 )( i M 中中工工件件形形状状误误差差部部分分。测测头头传传感感器器所所测测得得信信号号 )( i S (1) (2) (3) )()()()()( 12 iiiii SMSMV )()()()()( 11 iiiii SMSMV 2021-7-23 由式（由式（1 1）、（）、（3

23、3）可得）可得 由式（由式（1 1）、（）、（2 2）可得）可得 )()()()()( 111011iiiiii MMMVV )()()()()( 121210iiiiii MMMVV 等式等式4 4和和5 5右边虽相等，但实测数据不同，取平均值右边虽相等，但实测数据不同，取平均值 2/)()()( 12111iiiiii MMM 可得一般式可得一般式 2/)(/)()( 1 121 1 11 n i iiii n i ii nMnMM 由式（由式（4 4）、（）、（5 5）可得）可得 （4 4） （5 5） 2/)()()()()( 2110101iiiiii VVVVM 对称转位法可用于测

24、量径向和轴向运动误差，操作方便，但对称转位法可用于测量径向和轴向运动误差，操作方便，但 检测工作量较大，也不能用于实时控制。检测工作量较大，也不能用于实时控制。 2021-7-23 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 平面类形状位置误差主要针对超精密机床的导轨平面类形状位置误差主要针对超精密机床的导轨 直线度、工作台的台面直线度和平面度等。测量直线度、工作台的台面直线度和平面度等。测量 中的中的关键问题关键问题是如何分离是如何分离工件形状误差工件形状误差和和机床直机床直 线运动误差线运动误差。 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 第第2 2节节

25、在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿方法 2021-7-23 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 (1)(1)反转法反转法 测量分两次进行，在第二次测量分两次进行，在第二次 测量时，工件转过测量时，工件转过180180度，得度，得 到两组数据到两组数据 )()()( 11iii xSxMxV )()()( 22iii xSxMxV 方向直线位置。方向直线位置。采样点采样点 采样点序号；采样点序号； 形状误差部分；形状误差部分；测头所测得信号中工件测头所测得信号中工件 直线运动误差；直线运动误差；分别为两次测得的机床分别为两次测得的机床、 的两组信号；的两组信号

26、；分别为测头两次所测得分别为测头两次所测得、 xx i xS xMxM xVxV i i ii ii )( )()( )()( 21 21 式中式中 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 2021-7-23 若检测装置重复性好，可认为若检测装置重复性好，可认为 )()()( 21iii xMxMxM 可得可得 2/)()()( 2/)()()( 21 21 iii iii xVxVxM xVxVxS 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 (1)(1)反转法（接上页）反转法（接上页） 一、形

27、状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 测量需进行两次，不能用于实时控制。测量需进行两次，不能用于实时控制。 2021-7-23 (2)(2)平移法平移法 测量分两次进行，在第二次测量时，测量分两次进行，在第二次测量时， 工件平移一个步距工件平移一个步距S S，得到两组数据，得到两组数据 )()()( )()()( 12 1 iii iii xSxMxV xSxMxV 若机床和检测装置重复性好，可认为若机床和检测装置重复性好，可认为 )()()( 21iii xMxMxM 可得可得 )()()()( 211iiii xVxV

28、xSxS 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 该方法简单方便，不能用于实时控制，且测量误差会产生累积。该方法简单方便，不能用于实时控制，且测量误差会产生累积。 )()()( )()()( 12 1 iii iii xSxMxV xSxMxV )( i x 2021-7-23 (3)(3)两点法两点法 取步距取步距S S为两测头的间距进行为两测头的间距进行 测量，若将机床直线运动部测量，若将机床直线运动部 件的角运动误差件的角运动误差 忽略不忽略不 计

29、，则得到与平移法相同的计，则得到与平移法相同的 两个方程式两个方程式 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 步距越小，机床直线运动部件的角运动误差越小，但随着步距步距越小，机床直线运动部件的角运动误差越小，但随着步距 数的增大，测量误差的累积也增大。由于测量是在一次测量中数的增大，测量误差的累积也增大。由于测量是在一次测量中 两测头同时读数，故两测头同时读数，故可用于实时控制可用于实时控制。 2021-7-23 (4)(4)三点法三点法 用间距为步距用

30、间距为步距S S的三个测头进行测的三个测头进行测 量，则考虑机床直线运动部件角量，则考虑机床直线运动部件角 运动误差运动误差 ，得到，得到3 3组方程组方程)( i x 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 )(2)()()(2)()( 11iiiiii xSxSxSxBxCxA )()()()( 1iiii xxSxMxA )()()( iii xSxMxB )()()()( 1iiii xxSxMxC （1 1） （2 2） （3 3） 将式（将式

31、（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 （4 4） 0)()0( i xSS)(xS 2 n 2021-7-23 令令 由由(4)(4)式可计算出式可计算出 (4)(4)三点法三点法( (接上页接上页) ) 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法 一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测 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 三点法可避免机床直线运动部件角运动误差的影响，三点法可避免机床直线运动部件角运动误差的影响， 可用于实时控制可用于实时控制。 难度是要把三点调到一条直线上。难

32、度是要把三点调到一条直线上。 因为这三点形成一个测量基准，若不在一条直线上，因为这三点形成一个测量基准，若不在一条直线上， 会出现调整误差会出现调整误差 ，若步距数为，若步距数为n n，则由此造成的误，则由此造成的误 差将与差将与 成正比。所以此方法不适于用在步距数较成正比。所以此方法不适于用在步距数较 多的情况。多的情况。 该方法能够在线检测和实时控制。该方法能够在线检测和实时控制。 2021-7-23 1.1.车削工件圆度和圆柱度的误差补偿车削工件圆度和圆柱度的误差补偿 圆周装三个电容测头圆周装三个电容测头A A、B B、C C，轴，轴 线装一个电容测头线装一个电容测头D D。 四台测微仪

33、四台测微仪4 4的输出信号的输出信号-4-4路采样路采样 保持保持(S/H)5-(S/H)5-模数转换模数转换(A/D)8-(A/D)8-计算计算 机系统机系统1313。 装在车床主轴后端的光电码盘装在车床主轴后端的光电码盘3 3产产 生同步脉冲及采样脉冲。生同步脉冲及采样脉冲。 由计算机、高速信号处理器由计算机、高速信号处理器9 9构成构成 的数据采集主从系统完成误差信号的数据采集主从系统完成误差信号 的采集、数据处理、三点法误差分的采集、数据处理、三点法误差分 离计算、数据建模和预报，以及存离计算、数据建模和预报，以及存 储、绘图和打印等。储、绘图和打印等。 误差补偿执行机构误差补偿执行机

34、构2 2是一个电致伸是一个电致伸 缩式微进给刀架。缩式微进给刀架。 工件圆度误差平均减小工件圆度误差平均减小4040，工件，工件 圆柱度误差平均减小圆柱度误差平均减小2323 二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应用实例 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 2021-7-23 2.2.磨削工件圆度的误差补偿磨削工件圆度的误差补偿 如图进行外圆磨床主轴径向圆跳动如图进行外圆磨床主轴径向圆跳动 补偿控制的实验系统。补偿控制的实验系统。 该系统由微处理器该系统由微处理器13、检测装置检测装置 (由传感器由传感器5、基准盘、基准盘3和圆感位同和圆感位同

35、 步器步器4组成组成)和液压伺服驱动系统和液压伺服驱动系统7 组成。微处理器通过时间序列分析组成。微处理器通过时间序列分析 方法，进行误差在线建模，根据所方法，进行误差在线建模，根据所 建立的模型预报外圆磨床主轴在补建立的模型预报外圆磨床主轴在补 偿点上的径向圆跳动误差补偿运动偿点上的径向圆跳动误差补偿运动 值，通过液压伺服驱动机构推动工值，通过液压伺服驱动机构推动工 件沿砂轮径向进给，进行工件圆度件沿砂轮径向进给，进行工件圆度 的补偿控制磨削。的补偿控制磨削。 工件圆度误差由工件圆度误差由0.74m减少到减少到 0.375 m。 二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应

36、用实例 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 2021-7-23 3.3.镗削工件内孔圆柱度的误差补偿镗削工件内孔圆柱度的误差补偿 造成工件造成工件内孔圆柱度误差内孔圆柱度误差的主要的主要 原因是原因是镗杆径向圆跳动误差镗杆径向圆跳动误差和和直直 线运动的直线度误差线运动的直线度误差。 激光器激光器6 6发出激光束作为基准光发出激光束作为基准光 线照射在装在镗杆上的棱镜线照射在装在镗杆上的棱镜3 3， 棱镜反射光线位置的变动就反映棱镜反射光线位置的变动就反映 了镗杆的运动误差。用了镗杆的运动误差。用x-yx-y双向双向 光传感器光传感器7 7检测棱镜反射光线位检测棱镜反

37、射光线位 置的变动，测得信号经测量系统置的变动，测得信号经测量系统 8 8分析处理后传给计算机系统建分析处理后传给计算机系统建 模，然后预报出镗杆在镗刀各切模，然后预报出镗杆在镗刀各切 削位置的误差补偿运动，通过驱削位置的误差补偿运动，通过驱 动控制压电陶瓷补偿执行机构进动控制压电陶瓷补偿执行机构进 行内孔镗削补偿加工。行内孔镗削补偿加工。 补偿后的内孔圆柱度误差减少了补偿后的内孔圆柱度误差减少了 56566464. . 二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应用实例 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 2021-7-23 4.4.立铣工件直线度

38、的误差补偿立铣工件直线度的误差补偿 误差补偿系统由在线测量系统、微机误差补偿系统由在线测量系统、微机 建模与预报系统、补偿驱动系统等组建模与预报系统、补偿驱动系统等组 成。成。 工件直线度的在线测量系统由发出两工件直线度的在线测量系统由发出两 束激光束的激光器束激光束的激光器1010、两只触针式光、两只触针式光 传感器传感器4 4和一根作为基准直线的精密直和一根作为基准直线的精密直 尺组成，尺组成，采用两点法直接测量采用两点法直接测量。 所测数据经补偿计算机系统处理后，所测数据经补偿计算机系统处理后， 进行随机数据建模。进行随机数据建模。 测量位置和铣刀位置不同，存在时间测量位置和铣刀位置不同

39、，存在时间 滞后，采用超前预报。滞后，采用超前预报。 根据预报误差控制电液伺服驱动系统根据预报误差控制电液伺服驱动系统5 5， 使铣床主轴带动铣刀作上下运动，进使铣床主轴带动铣刀作上下运动，进 行补偿。行补偿。 该系统能使直线度误差减少该系统能使直线度误差减少8080。 二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应用实例 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 2021-7-23 5.5.数控立铣工件平面度的误差补偿数控立铣工件平面度的误差补偿 误差补偿系统由激光平面度误差在误差补偿系统由激光平面度误差在 线测量、液压精密定位和微机控制线测量、液压精密定

40、位和微机控制 三部分组成。三部分组成。 平面工件平面工件1 1被装夹在夹具被装夹在夹具4 4上，夹具上，夹具 装夹在工作台上，夹具内装有一套装夹在工作台上，夹具内装有一套 平面度误差测量系统平面度误差测量系统1212，一束激光，一束激光 束束9 9作为测针，另一束激光束作为测针，另一束激光束7 7用于用于 产生三束反射光线，采用三点法直产生三束反射光线，采用三点法直 接测量。接测量。 两台步进电机两台步进电机5 5和和6 6分别带动工作台分别带动工作台 沿切削方向和进给方向移动。沿切削方向和进给方向移动。 测量所得数据经测量系统分析处理测量所得数据经测量系统分析处理 后传给计算机系统建模，进行

41、预报，后传给计算机系统建模，进行预报， 驱动液压伺服执行机构对工件进行驱动液压伺服执行机构对工件进行 平面度误差补偿，平面度误差可减平面度误差补偿，平面度误差可减 少少8080。 二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应用实例 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 2021-7-23 6.6.精密丝杠螺距的误差补偿精密丝杠螺距的误差补偿 主轴主轴 溜板溜板 压电陶瓷压电陶瓷 误差补偿系统由微机、微处误差补偿系统由微机、微处 理器、测量系统、补偿执行理器、测量系统、补偿执行 机构组成。机构组成。 光电码盘每转发出一定数量光电码盘每转发出一定数量 脉冲

42、（如脉冲（如20482048个、个、10241024个）个） 测量主轴的回转位置，线性测量主轴的回转位置，线性 位移传感器（如光栅）测量位移传感器（如光栅）测量 溜板相对于主轴回转位置的溜板相对于主轴回转位置的 位移，两组数据送入微处理位移，两组数据送入微处理 器进行在线分析处理，得出器进行在线分析处理，得出 机床丝杠的螺距误差数据，机床丝杠的螺距误差数据， 再送入微机进行建模，通过再送入微机进行建模，通过 微处理器进行预报控制，驱微处理器进行预报控制，驱 动压电陶瓷车削补偿执行机动压电陶瓷车削补偿执行机 构作螺距误差补偿。能使单构作螺距误差补偿。能使单 个螺距误差可减少个螺距误差可减少898

43、9。 二、在线检测与误差补偿系统应用实例二、在线检测与误差补偿系统应用实例 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 2021-7-23 微位移系统由微位移系统由微位移机构、检测装置和控制系微位移机构、检测装置和控制系 统统组成，为了实现小行程（一般小于毫米级）、组成，为了实现小行程（一般小于毫米级）、 高灵敏度和高精度（一般为亚微米、纳米级）的高灵敏度和高精度（一般为亚微米、纳米级）的 位移。位移。 微位移机构微位移机构是实现微位移的执行机构，其核心是实现微位移的执行机构，其核心 部分是微位移器件；部分是微位移器件；检测装置检测装置是用来测量微位移是用来测量微位移 的移动

44、量及其精度，在闭环系统中作为反馈信号；的移动量及其精度，在闭环系统中作为反馈信号； 控制系统控制系统用来控制整个系统的工作，通过控制策用来控制整个系统的工作，通过控制策 略实现需求的技术性能指标。略实现需求的技术性能指标。 一、微位移系统及应用一、微位移系统及应用 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2021-7-23 微位移系统的应用：微位移系统的应用： 1 1）微进给）微进给 利用微位移机构实现准确的微进给量、微吃刀量和精确利用微位移机构实现准确的微进给量、微吃刀量和精确 对刀。对刀。 2 2）误差补偿）误差补偿 在精密机床中，采用粗精结合的两套进给系统，构成两在精密机床中，采用粗精结合

45、的两套进给系统，构成两 个工作台，粗进给系统形成的粗工作台实现高速大行程，个工作台，粗进给系统形成的粗工作台实现高速大行程， 精进给系统形成的微动工作台对粗工作台的运动进行误精进给系统形成的微动工作台对粗工作台的运动进行误 差补偿。差补偿。 3 3）精密调整）精密调整 调整浮动间隙、焦距和对准坐标原点等。调整浮动间隙、焦距和对准坐标原点等。 一、微位移系统及应用一、微位移系统及应用 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2021-7-23 二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 1.1.机械类微位移机构机械类微位移机构 2021-7-23 二、微位移机构

46、的类型二、微位移机构的类型 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2021-7-23 二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 机械类微位移机构特点：机械类微位移机构特点： 精度不高，结构复杂、制造技精度不高，结构复杂、制造技 术难度大，但性能比较稳定、术难度大，但性能比较稳定、 价格便宜、使用方便，应用广价格便宜、使用方便，应用广 泛。泛。 利用巧妙的机械结构实现微位利用巧妙的机械结构实现微位 移。移。 其中弹性变形件应用前景较好。其中弹性变形件应用前景较好。 可做成薄片、铰链、伸缩管、可做成薄片、铰链、伸缩管、 扭摆等形式。见图扭摆等形式。见图6-17

47、6-17，单轴，单轴 柔性铰链是一维的，双轴柔性柔性铰链是一维的，双轴柔性 铰链是二维的。可做成矩形和铰链是二维的。可做成矩形和 圆形。圆形。 2021-7-23 二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2.2.液压类微位移机构液压类微位移机构 采用液压为动力，弹采用液压为动力，弹 性膜片为弹性变形元性膜片为弹性变形元 件实现微位移。多用件实现微位移。多用 于已具有液压系统的于已具有液压系统的 设备中。设备中。 2021-7-23 二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 3.3.电动类微位移机构电动类微位移机构 通

48、过选用不同长度的磁致通过选用不同长度的磁致 伸缩材料棒或管，改变通伸缩材料棒或管，改变通 入线圈电流的强度，即可入线圈电流的强度，即可 获得精确的微小位移量。获得精确的微小位移量。 2021-7-23 二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 电动类微位移机构可分为：电热、电磁、机电耦合效应（电致电动类微位移机构可分为：电热、电磁、机电耦合效应（电致 伸缩、压电效应）等多种。伸缩、压电效应）等多种。 电热式电热式：利用电热转换，使材料受热伸长而微位移。：利用电热转换，使材料受热伸长而微位移。 电磁式电磁式：利用电磁力、（电）磁致伸缩等原理来实现微位移。：利

49、用电磁力、（电）磁致伸缩等原理来实现微位移。 电致伸缩电致伸缩和和压电式微压电式微位移机构：利用材料的电致伸缩现象、压位移机构：利用材料的电致伸缩现象、压 电效应来实现微位移。电效应来实现微位移。 2021-7-23 1.1.平行弹性导轨微位移工作台平行弹性导轨微位移工作台 若步进电动机的输入位移为若步进电动机的输入位移为 ，微动工作台的，微动工作台的 输出位移为输出位移为 ，两个弹簧的刚度分别为，两个弹簧的刚度分别为 ， 则则 1 x 2 x A k B k BA B kk k xx 12 三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2021-7-23 2

50、.2.电磁控制微位移工作台电磁控制微位移工作台 三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 若忽略工作台移动时的若忽略工作台移动时的 摩擦力，根据电磁铁的摩擦力，根据电磁铁的 吸引力等于弹簧的拉力，吸引力等于弹簧的拉力， 可得工作台在某方向的可得工作台在某方向的 位移位移 )2/( 2 kgABx B-B-磁通密度磁通密度(T)(T)； A-A-磁极截面面积磁极截面面积(m(m2 2) )； -磁导率磁导率(H/m)； k-弹簧刚度弹簧刚度(N/m). 工作台移动的距离与通过电磁铁线圈的工作台移动的距离与通过电磁铁线圈的 电流和线圈圈数乘积的平方成正比。电流

51、和线圈圈数乘积的平方成正比。 2021-7-23 3.3.磁致伸缩微位移工作台磁致伸缩微位移工作台 磁致伸缩效应磁致伸缩效应：放置于磁场中的材料发生尺寸：放置于磁场中的材料发生尺寸 和形状变化的现象。和形状变化的现象。 磁致伸缩机构是利用铁磁材料在磁场的作用下磁致伸缩机构是利用铁磁材料在磁场的作用下 产生微伸长运动来实现微位移的，改变磁场强产生微伸长运动来实现微位移的，改变磁场强 度可控制伸长率，但铁磁材料在磁场的作用下，度可控制伸长率，但铁磁材料在磁场的作用下， 除了产生磁致伸缩外，还伴有发热现象。除了产生磁致伸缩外，还伴有发热现象。 铁磁材料、铁铝合金有正伸长特性，镍有负伸铁磁材料、铁铝合

52、金有正伸长特性，镍有负伸 长特性，钴和钴合金根据材料组织成分有正或长特性，钴和钴合金根据材料组织成分有正或 负伸长特性。负伸长特性。 三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2021-7-23 4.4.电致伸缩微位移工作台电致伸缩微位移工作台 电致伸缩效应电致伸缩效应：电介质在外电场的作用下，由于感：电介质在外电场的作用下，由于感 应极化的作用而产生应变，其应变大小与电场强度应极化的作用而产生应变，其应变大小与电场强度 的平方成正比，其应变方向与电场方向无关。的平方成正比，其应变方向与电场方向无关。 电 致 伸 缩 材 料 ： 铌 镁 酸 铅 系 列 （

53、电 致 伸 缩 材 料 ： 铌 镁 酸 铅 系 列 （ P M NP M N ， 是 由， 是 由 PbO,MgO,NbPbO,MgO,Nb2 2O O3 3,TiO,TiO2 2,BaCO,BaCO3 3,ZrO,ZrO等按比例烧结而成）、等按比例烧结而成）、 弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应）、双弛豫铁电弛豫铁电体（具有大电致伸缩效应）、双弛豫铁电 体（具有大电致伸缩效应和良好温度稳定性）体（具有大电致伸缩效应和良好温度稳定性） 、 PZTPZT（铅、锆（铅、锆ZrZr、钛）铁电陶瓷系列等。、钛）铁电陶瓷系列等。 电致伸缩器件具有结构紧凑、体积小、分辨率高、电致伸缩器件具有结构紧凑、体积小、

54、分辨率高、 无发热现象、控制简单等特点。无发热现象、控制简单等特点。 三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台 第第3 3节节 微位移技术微位移技术 2021-7-23 5.5.压电效应微位移工作台压电效应微位移工作台 1)1)正压电效应正压电效应（简称压电效应）：电介质受到机械应力作用时，（简称压电效应）：电介质受到机械应力作用时， 会产生电极化（表面产生电荷），电极化的大小（电荷密度）会产生电极化（表面产生电荷），电极化的大小（电荷密度） 与施加的机械应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。与施加的机械应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。 逆压电效应逆压电效应：电介质在外电场的作用下，将产生应变，应变大：电介质在外电场的作用下，将产生应变，应变大 小与电场大小成正比，应变方向与电场方向有关，当电场的方小与电场大小成正比，应变方向与电场方向有关，当电场的方 向改变时，应变的方向也随着改变。向改变时，应变的方向也随着改变。 2)2)压电材料压电材料：铁电晶体和压电晶体两类。：铁电晶体和压电晶体两类。 常用的铁电晶体是铁电陶瓷，其变形量大，但压电性不如压电常用的铁电晶体是铁电陶瓷，其变形量大，但压电性不如压电 晶体；常用的压电晶体有钛酸钡压电陶瓷、晶体；常