1、18. 1 概述8. 2 幾何誤差補償8. 3 熱誤差補償8. 4 間隙誤差補償8. 5 摩擦誤差補償8.6 伺服參數優(yōu)化 精度是機床的根底，提高數控機床的精度首先是提高機床各部件的機械精度和動態(tài)性能，但機械精度提高到一定程度后就很難再提高了，或者本錢太高難以應用。 通過數控系統(tǒng)對誤差進行補償是有效的途徑，使用誤差補償技術可以很小的代價獲得“硬技術難以到達的精度水平和動態(tài)性能。8.1 概述一、機床誤差的分類 機床誤差包括幾何誤差、間隙誤差、熱誤差、摩擦誤差和動態(tài)誤差五類。 按誤差產生原因分類 上述誤差按誤差產生原因分類： 幾何誤差和間隙誤差屬于機床本體誤差，熱誤差、摩擦誤差和動態(tài)誤差屬于機床運

2、行誤差。 按誤差的性質分類 上述誤差按誤差的性質分類： 幾何誤差屬于靜態(tài)誤差，熱誤差屬于準靜態(tài)誤差，摩擦誤差和動態(tài)誤差屬于動態(tài)誤差，間隙誤差雖然屬于機械系統(tǒng)誤差，但其在機床運行時表現出來，比較特殊。數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.1 概述1、幾何誤差和熱誤差補償原理 幾何誤差和熱誤差屬于靜態(tài)或準靜態(tài)誤差，因此可通過修正插補指令來實現，方法為：二、誤差補償原理幾何誤差補償模塊伺服驅動dCurCmdPosdGerErrDatadTmpErrDatadRealCmdPos總線接口 CNC插補指

3、令位置熱誤差補償模塊數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.1 概述2、間隙和摩擦誤差補償原理 由于間隙和摩擦誤差宏觀表現和補償過程有很多相似之處，故經常放在一起。數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.1 概述3、動態(tài)誤差補償原理 動態(tài)誤差的產生是機床運行時，由于伺服系統(tǒng)控制參數不合理或機械系統(tǒng)擾動造成的，因此補償必須通過伺服參數優(yōu)化來解決，伺服參數包括位置和速度前饋參數，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)

4、控制參數，以及速度和電流濾波參數等。數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology伺服參數不合理造成的的誤差伺服參數優(yōu)化后結果8.1 概述78. 1 概述8. 2 幾何誤差補償8. 3 熱誤差補償8. 4 間隙誤差補償8. 5 摩擦誤差補償8.6 伺服參數優(yōu)化一、幾何誤差分析與建模按幾何誤差的類型分類移動誤差 定位誤差，水平直線度 垂直直線度轉動誤差 滾轉誤差，俯仰誤差，偏擺誤差 任一物體在空間中都具有六個自由度，即沿空間坐標軸X、Y、Z直線方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度。以X軸為例，移動誤

5、差包括水平直線度誤差，垂直直線度和定位誤差 ，轉動誤差包括滾轉誤差，俯仰誤差和偏擺誤差。8.2 幾何誤差補償 幾何誤差分析1沿X軸移動時，線性位移誤差x(x)、Y向直線度誤差y (x)、Z向直線度誤差z (x)、滾轉誤差x (x)、偏擺誤差y (x)和俯仰誤差z (x) ；2沿Y軸移動與沿Z軸移動同理，因此X、Y、Z三個線性軸共有18項誤差33軸之間的垂直度誤差xy、zx、yz 幾何誤差分析三個線性軸共21項誤差8.2 幾何誤差補償2. 幾何綜合誤差建模 首先根據機床結構類型，建立機床坐標系和各運動部件坐標系。 然后運用齊次坐標變換方法，計算得到機床的幾何綜合誤差模型：8.2 幾何誤差補償 根

6、據矢量變換原理，將幾何綜合誤差模型分解到各個軸上。軸向幾何誤差主要是定位誤差。軸間幾何誤差主要是垂直度誤差。2. 幾何綜合誤差建模軸向誤差軸間誤差8.2 幾何誤差補償1、螺距/光柵誤差 對于螺距測量，將測量行程平均分為N個點，然后激光干預儀運動到第n個點，獲得此點的正方向誤差，并在該點屢次測量求誤差平均值，形成雙向誤差補償數據。二、幾何誤差測量8.2 幾何誤差補償2、軸向、軸間誤差測量 右圖是對角線法測量原理圖。 測量3組對角線，解方程組，可得到所需的補償值：Ex(x)、Ex(y) 、Ex(z) 、Ey(y)、Ey(x)、Ey(z)、Ez(z) 、Ez(x) 、Ez(y)。 利用激光干預儀測量

7、機床各個軸的21項幾何誤差項，再經過轉換形成單軸誤差補償數據和軸關系誤差補償數據。8.2 幾何誤差補償 首先利用測量得到的數據建立補償表文件(文本文件)，系統(tǒng)啟動時將補償表文件讀入數控系統(tǒng)，建立補償數組。機床返回參考點后，利用查表+線性插值等方法，在每個插補周期對插補指令進行修正。文件格式：基準軸、補償軸、初始位置、終點位置、補償點距離、補償點的補償值；文件可包含多個補償數組，同一個基準軸可補償多個補償軸三、幾何誤差補償8.2 幾何誤差補償幾何誤差補償方法原理圖8.2 幾何誤差補償168. 1 概述8. 2 幾何誤差補償8. 3 熱誤差補償8. 4 間隙誤差補償8. 5 摩擦誤差補償8.6 伺

8、服參數優(yōu)化數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.3 熱誤差補償一、熱誤差的分類1、按熱誤差的表現分類平移型熱誤差xy扭轉型熱誤差平移型熱誤差可以通過誤差補償消除扭轉型熱誤差不可以通過誤差補償消除因此，在機床設計時總是希望通過熱均衡結構設計，使得熱誤差方向一致，不會發(fā)生扭轉型熱誤差數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology一、熱誤差的分類2、按熱誤差發(fā)生的部位分類主軸系統(tǒng)熱誤差z進給系統(tǒng)熱誤差主軸系統(tǒng)熱

9、誤差與工作臺位置無關，只與溫度相關進給系統(tǒng)熱誤差除了與溫度相關之外，還與工作臺的當前位置相關因此，需要根據不同的熱誤差形式進行補償x8.3 熱誤差補償數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology二、熱誤差的測量1、主軸熱變形的測量主軸系統(tǒng)熱誤差測量z首先在主軸外表布置多個溫度傳感器在主軸端面布置非接觸式位移傳感器，讓主軸連續(xù)運行，同時采集各溫度傳感器溫度信號和位移傳感器位移信號溫度傳感器位移傳感器在主軸端面布置接觸式位移傳感器，讓主軸連續(xù)運行一段時間后，記錄一次各溫度傳感器數據，測量一次熱變形。8.3

10、熱誤差補償數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.3 熱誤差補償二、熱誤差的測量2、進給軸熱變形的測量進給系統(tǒng)熱誤差測量x溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器首先在絲杠兩端軸承和螺母副處布置溫度傳感器讓機床工作運動一段時間，采用光柵或激光干預儀測量進給軸某位置處的定位誤差三、熱誤差建模 通過熱誤差測量可得到多個測溫點的溫度值和熱誤差值，由于測溫點比較多，所以需要對測溫點進行優(yōu)化，找出熱敏感點，然后用線性回歸的方法建立誤差值與熱敏感點之間的函數關系。模糊聚類方法優(yōu)化測溫點8.3 熱誤差補償數字控制及裝備

11、技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology四、熱誤差補償方法指令位置顯示位置電機指令位置運動控制K0、tan、P0位置反饋+-選擇開關RS232PLC溫度采集獨立補償裝置 熱誤差補償模塊結構框圖8.3 熱誤差補償數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology五、熱誤差補償實驗 熱誤差補償現場 0-4通道測溫點數據和主軸熱誤差數據 熱誤差補償結果 Z=-82.0940-0.5159T1-0.3879T3+6.4780T98.3

12、熱誤差補償248. 1 概述8. 2 幾何誤差補償8. 3 熱誤差補償8. 4 間隙誤差補償8. 5 摩擦誤差補償8.6 伺服參數優(yōu)化一、間隙產生原因及影響產生原因：機床滾珠絲杠與螺母副之間存在間隙，不能緊密接觸，產生軸竄動。隨著機床的使用，磨損逐漸加劇，產生間隙。影響：工作臺反向運動時電機空轉而工作臺并不運動，造成D/2的定位誤差，影響機床精度間隙過大時，動態(tài)響應特性變差,發(fā)生振蕩解決方案：采用高精度的滾珠絲杠安裝絲杠時進行預緊用數控系統(tǒng)指令補償間隙8.4 間隙誤差補償數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Tech

13、nology無間隙二、間隙誤差的測量根據光柵反響值與位置指令之差，測得機床反向間隙誤差D反向間隙測量根據激光干預儀測得的機床實際位置與位置指令之差，測得機床反向間隙誤差D數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.4 間隙誤差補償三、間隙誤差的補償正向負向時，全部行程之內都補償D/2負向正向時，全部行程之內都補償-D/21、間隙較小時的補償方法數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology正向運動反向運動時間補

14、償值-D/2D/28.4 間隙誤差補償 當D較大時，會造成電機加速度過大，系統(tǒng)不平穩(wěn)，產生振蕩；控制器產生飽和現象；產生跟隨誤差。間隙補償值變化情況解決方案： 間隙補償量增量式增長：在一定的插補周期內，逐步增加補償量，實現補償值的跳躍，而防止了一個周期內補償值大的變化。2、間隙較大時的補償方法數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.4 間隙誤差補償間隙補償過程中，補償量的符號會在反向點處發(fā)生變化，因此準確地判斷反向點至關重要。根據數控系統(tǒng)內部提供的位置插補命令，可以準確判斷反向點。當前插補周期的

15、位置命令為yi，上一插補周期的位置插補命令為yi-1； =yi- yi-10 工作臺正向運動; =變?yōu)椋蛴赡敲凑J為發(fā)生反向，該點可以認為是反向點。四、反向點的判斷8.4 間隙誤差補償仿真實驗結果比照：補償前，編碼器位置信號輪廓精度較好，光柵位置信號輪廓誤差較大補償后，光柵位置信號誤差較小機床實驗結果比照：相比于補償前，補償后誤差校正量正確地施加于系統(tǒng)中五、間隙補償驗證數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.4 間隙誤差補償318. 1 概述8. 2 幾何誤差補償8. 3 熱誤差補償8. 4 間

16、隙誤差補償8. 5 摩擦誤差補償8.6 伺服參數優(yōu)化 工作臺低速運動時，靜摩擦占主導地位。 工作臺速度較高時，表達為與方向相關的庫侖摩擦和與速度相關的粘性摩擦(阻尼)。 兩者之間呈現劇烈的非線性特性。Stribeck摩擦力模型一、摩擦力特性分析8.5 摩擦誤差補償技術數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology二、摩擦誤差產生原因高速時，速度指令大電機轉矩大于摩擦力，不會造成摩擦誤差。低速時，速度指令小電機轉矩小，當電機轉矩小于摩擦力時，電機在旋轉，但工作臺并不運動，造成摩擦誤差當電機轉矩小于摩擦力時，

17、能量被傳動系統(tǒng)彈性環(huán)節(jié)儲存起來，當電機轉矩大于摩擦力時，由于靜摩擦力大于動摩擦力使得能量釋放，造成系統(tǒng)振蕩。數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.5 摩擦誤差補償技術二、摩擦誤差產生原因工作臺改變方向時速度為0，靜摩擦力最大，摩擦誤差最大，因此常把摩擦誤差稱為過象限誤差，摩擦誤差補償也通常從反向點處開始。數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology摩擦導致的過象限誤差8.5 摩擦誤差補償技術三、減小摩擦

18、誤差的方法1、減小傳動系統(tǒng)摩擦力 采用滾動導軌、液體靜壓導軌、空氣靜壓導軌或磁懸浮導軌減小系統(tǒng)摩擦力，同時降低動摩擦和靜摩擦力差異，提高進給系統(tǒng)動態(tài)性能。但采用高性能導軌將極大地提高機床本錢。2、提高伺服驅動系統(tǒng)剛度 通過提高伺服驅動系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)剛度，當摩擦誤差產生時，小的誤差信號能夠及時、足夠地調整到電機驅動電流。但高剛度容易引起系統(tǒng)振蕩。 減小伺服驅動器各控制環(huán)的控制周期也有利于提高系統(tǒng)的響應速度。但減小控制周期對數控裝置的硬件性能要求較高。數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technolog

19、y8.5 摩擦誤差補償技術1) 摩擦補償原理 在機床反向處的短暫時間內，向各控制環(huán)施加補償量，增加電機轉矩以克服摩擦力。補償量施加的位置有：位置環(huán)：施加位置校正量，系統(tǒng)響應較慢，動態(tài)特性較差；速度環(huán)：施加速度校正量，增加電機輸出扭矩，效果較好；電流環(huán)：施加電流補償量，直接校正扭矩，抗干擾能力差；3、摩擦誤差補償8.5 摩擦誤差補償技術2) 摩擦補償方法恒值摩擦補償：補償時間內摩擦補償值為穩(wěn)定不變的數值，不隨外界條件的改變而變化。自適應摩擦補償：在數控機床的允許加速度范圍內，摩擦的補償量根據加工參數，自動變化并取得最優(yōu)補償值。0aa1a1aa2a2aa3數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.5 摩擦誤差補償技術3) 摩擦補償實驗論證實驗對象大連機床廠車銑復合中心補償前Delta R=14.529m補償后Delta R=3.956m數字控制及裝備技術研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology8.5 摩擦誤差補償技術Gf一、根本概念8.6 伺服參數優(yōu)化1、伺服驅動系統(tǒng)的控制參數位置環(huán)增益P電流環(huán)P或PI速度環(huán)PI前饋系數數控機床通過調節(jié)三個控制環(huán)參數和前饋系數來調整動態(tài)性能408. 1 概述8. 2 幾何誤