哈尔滨工业大学工学博士学位论文
7.3Application of dynamic servo error compensation technology……............ 109 7.4 Application of thermal drift error compensation technology.................... 110 7.4.1 Construction of compensation system…...........…................. 110
7.4.2 System calibration…………………………………….…................. 112 7.4.3 Compensation realization based on secondary development of PLC.... 112 7.5 Verification of thermal error compensation of machine tool………….....…114 7.5.1 Thermal drift error compensation….........................…..……….......... 114
7.5.2 Slope of thermal error compensation................................................... 115 7.5.3 Synthetical error compensation......................................... 115 7.6 Machining accuracy test of heavy duty NC Floor-typed milling and boring machine tool……..…………………………………………………….…...116 7.6.1 The process of machining……………………………………………… 117 7.6.2 The result of test.................................................................................. 117 7.7 Brief Summary............................................................................................119 Conclusions........................................................................................................120 References...........................................................................................................122 Papers published in the period of Ph.D. education………………………….....132 Statement of copyright and Letter of authorization.........................................133 Acknowledgements..............................................................................................134 Resume................................................................................................................135
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第1章 绪 论
第1章 绪 论
1.1 课题背景及研究目的和意义
随着众多水电、核电和航空航天等领域对大型精密零部件的需求量不断增加，重型机床的市场前景广阔。但国内外绝大多数重型机床都在一定程度上存在精度不足的问题，严重制约该类机床的发展，以国内企业生产的机床尤为突出，这迫使国内众多需要较高精度重型机床的用户采购了国外的机床作为精加工设备，而国内的机床只能作为粗加工设备；此外重型精密工作母机性能优劣也是一个国家制造能力强弱、制造水平高低以及科技创新能力的重要标志。因此提升重型机床加工精度有重大现实意义和研究价值。
重型数控机床精度受到材料、制造、安装、检测、控制和环境等诸多因素的影响，并最终复映为机床的加工误差。现行的提高数控机床精度的方案主要有两种：误差防止和误差补偿。误差防止是通过合理的设计、加工、装配和环境控制来消除或减少上述因素可能产生的误差，是保障数控机床加工精度的重要手段，但精度提高有限，且随着精度要求的不断提高，机床造价会大幅上升。误差补偿是通过测量机床误差并分析误差成因，依据测量结果建立误差模型，配合相应的补偿系统，对机床各坐标轴的位置进行适当的修正来提高机床精度。该方法不需对机床的结构作较大变更，所需费用低且调整简便，是一种经济、有效的途径。国内外众多学者在机床误差控制与补偿领域取得了重要成果。
重型数控落地铣镗床具有开放的机床结构形式，工作空间大，在大尺寸零部件加工中得到了广泛应用；但关于该类重型机床全行程空间误差测量与补偿方面的研究还较少。为此在―高档数控机床与基础制造装备‖科技重大专项《重型数控机床动态综合误差的补偿与应用》（编号：2009ZX04014-025）的支持下，对该机床的加工误差进行溯源分析，建立综合空间误差模型，重点进行大尺寸空间误差测量和几何误差辨识方法的研究，并针对几何误差、热误差和伺服误差在该类重型机床上开展相关补偿技术的应用研究；为加强该类机床误差对精度影响方式的更全面地认识提供有力的依据，为更有效地提升该类机床精度提供技术支撑。
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1.2 机床误差补偿技术的研究现状
国内外针对机床误差测量及补偿等相关技术研究的内容繁多，从1830年英国Edward对划线机导轨重复定位精度完成补偿开始[1]，时至今日，该领域仍然是研究的热点。机床存在多种误差类型，例如热误差[2-5]、几何误差[6-10]
、跟随误差和轮廓误差[11-13]以及切削力误差[14-15]等，这些误差影响因素随
着研究者对机床的不断认知以及大量的理论和实验研究后被逐步的提出。H. Schwenke [16]对机床误差研究的发展现状按照误差产生原因、误差检测方法和误差补偿技术等三个方面进行了系统的总结。纵观误差补偿技术的发展历程，上海交通大学的杨建国教授等人[17]归纳为四个阶段：早期探索研究阶段、理论研究阶段、理论成熟阶段以及完善和应用阶段。
由于缺少有效的科学技术手段，早期关于机床误差的研究多是对误差因素的分析并为机床的设计提供指导[17]。显然这一阶段的研究主要采用误差防止方法，降低相应误差因素的影响。仅有的补偿技术也只是单项误差的机械式硬件补偿，代表性的是螺距校正装置和凸轮校正机构。
然而初期的研究工作显然不能够满足机床精度提高的要求，进一步的理论分析和实验研究逐步展开。1967年日本的Yoshida和Honda[18]通过实验分析得出热变形和温度分布的关系，并用应变仪测量了机床的热变形；时至今日，基于温度和热误差的数理关系实现误差补偿仍是重要手段之一。上世纪70年代中期，Schultschick[19]采用矢量表达法建立了三坐标镗床空间误差模型，该方法成为最早对误差建模技术进行研究的重要成果之一。
随着计算机技术的广泛应用，更准确和全面地误差分析与建模成为了可能。1984年，美国威斯康辛大学召开的34th国际生产工程研究会（CIRP）强调：研究工作不能简单地靠直接经验，而要靠科学的方法[19]。随之各种理论研究成果得到了广泛的发展，机床误差补偿技术也得到了空前的发展。误差补偿技术已成为现代精密工程的重要支柱之一，是研究机床精度保持和提升的一个重要方法。
尽管我国对机床误差补偿技术开展研究的时间相比国外较晚，但是经过国内众多科研人员的努力探索，目前在该领域的研究已经取得丰硕的成果，为我国机床行业的发展注入了强大的动力。国内的上海交通大学[17-20]，华中科技大学[21-23]，浙江大学[24,25]，西安交通大学[26,27]，天津大学[28,29]等高校都开展了这一领域的研究工作。针对课题研究重点，本文将着重归纳机床空间误差测量技术、误差建模方法、测量不确定性和轮廓误差控制与补偿技术的研究现状。
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第1章 绪 论
1.2.1 误差测量技术
误差测量是误差补偿技术的基础。不同类型误差的测量及不同类型机床结构往往采用不同的检具。在误差补偿技术发展的各阶段，多种机床误差检具不断涌现，例如球杆仪[30,31]、球板和光栅[32]，近年来广泛使用的激光干涉仪
[33,34]
和多普勒位移量尺[35-37]等，不同的检测标准会随着新的检具和新的检测
方法应运而生。目前，机床误差的测量方法被分为三种：误差直接测量法、误差间接测量法和误差综合测量法[16]。
通常，误差的直接测量更精确，其测量原理与几何误差的实际意义息息相关。间接测量和综合测量法是分别通过测量工件的加工误差和机床的综合空间误差获取机床精度信息的方法；要进一步获取几何误差，需要通过相应误差模型和误差辨识方法分离出各项几何误差，这一过程被称为误差辨识。 1.2.1.1 误差的直接测量
该测量方法旨在通过相关的测量设备直接获得机床单项几何误差，能够完成对机床误差的直接溯源[38-40]。不同几何误差的测量往往需要不同的测量设备，例如采用激光干涉仪测量机床定位误差，利用倾角传感器测量转角误差，利用标准件和千分表测量直线度误差等。
意大利特兰托大学的Francesco Biral等[41]对PAMA公司的铣镗床进行几何误差的测量和补偿研究。虽然采用倾角传感器（图1-1）只完成单轴的滚动角和俯仰角误差的测量，但在机床进行调整和安装过程中却有着非常显著地优势。关伟智[42]采用了无衍射光测量系统，对立式铣床X轴和Y轴的直线度进行测量，该测量系统包括激光发射器和CCD，利用激光发射器的激光在CCD上的成像检测机床直线度误差。
图1-1倾角传感器测量
Fig.1-1 Inclinometer measurement
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[41]
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上述测量方法的针对性强，而通用性不强，对多项几何误差进行测量需要多种测量设备才能完成。为此研究人员开发了能够在一次测量过程中完成多项几何误差测量的设备和测量方法。
J. Ni[39]设计了激光检测系统（如图1-2所示），可以在线测量机床的多项几何误差，包括单轴运动过程中的垂直于运动方向的两个直线度误差和三个转角误差。但由于该装置不能利用激光干涉特性测量距离变化，无法完成轴线方向的定位误差测量。
图1-2单轴误差测量系统示意图
Fig.1-2 The schematic of error mapping in one axis
[39]
韩国庆北国立大学的研究者[40]利用电容传感器对小型机床的几何误差进行了测量，如图1-3所示。在每个轴单独运动时，利用不同位置处电容传感器的测量数值变化，得到了除该轴定位误差外的其他5项几何误差，包括垂直于运动轴的直线度误差及三个方向的转角误差，并通过转角误差计算出两轴之间的垂直度误差。
图1-3 多自由度测量系统示意图[40] Fig.1-3 The schematic of measurement system
激光干涉仪是被广泛应用的单项误差直接测量设备，可测量获得定位误差，配合各类型辅助设备可完成其他几何误差测量[16]，如下图1-4所示。
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