数控机床精度控制与误差补偿 吴佳佳
目录
第一章 绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------1 第二章 数控机床-------------------------------------------------------------------------------------------2 2.1 数控机床概述---------------------------------------------------------------------------------------2 2.1.1 数控机床的工作原理----------------------------------------------------------------------------2 2.1.2 数控机床的硬件构成----------------------------------------------------------------------------2 2.1.3 数控机床的特点----------------------------------------------------------------------------------2 2.1.4 数控机床的分类----------------------------------------------------------------------------------2 2.2 多轴数控机床---------------------------------------------------------------------------------------3 第三章 误差分析-------------------------------------------------------------------------------------------5 3.1 误差源------------------------------------------------------------------------------------------------5 3.2 误差源分类------------------------------------------------------------------------------------------5 3.2.1 测量系统的误差----------------------------------------------------------------------------------5 3.2.2 控制系统误差-------------------------------------------------------------------------------------5 3.2.3 刀具系统误差-------------------------------------------------------------------------------------6 3.2.4 机床结构系统误差-------------------------------------------------------------------------------6 第四章 精度控制-------------------------------------------------------------------------------------------8 4.1 误差建模---------------------------------------------------------------------------------------------8 4.2 误差检定---------------------------------------------------------------------------------------------9 4.2.1 误差检测-------------------------------------------------------------------------------------------9 4.2.2 误差辨识-------------------------------------------------------------------------------------------9 第五章 误差防止------------------------------------------------------------------------------------------11 5.1 几何误差防止--------------------------------------------------------------------------------------11 5.2 热变形误差防止-----------------------------------------------------------------------------------11 5.3 伺服误差防止--------------------------------------------------------------------------------------12 5.4 振动与环境误差防止-----------------------------------------------------------------------------13 5.5 检侧误差防止--------------------------------------------------------------------------------------14 第六章 误差补偿------------------------------------------------------------------------------------------15 第七章 总结------------------------------------------------------------------------------------------------18 参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------------------19
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数控机床精度控制与误差补偿分析
第一章 绪论
数控技术和数控机床的诞生开创了控制和生产领域的新时代，给机械制造业带来了一次新的技术革命。数控机床以自动化程度高、柔性好、加工精度高等优点在现代制造业特别是复杂零件加工中己得到广泛应用，并在迅速发展和普及。随着经济全球化，国内外市场竞争日趋激烈，用户对产品提出了优质、可靠、安全、功能多样化、结构精细化的要求越来越严格，消费者需求的个性化越来越迫切，迫使制造业能够进行多品种、小批量的柔性生产，制造业向精度更高、品种更多、批量更小、成本更低以及周期更短的生产方向发展成为一种必然选择，采用数控机床是制造业适应这种发展趋势的重要途径。同时，随着现代科学技术的迅速发展，现代科学技术与机械制造科学技术的结合，为机械制造业适应这种发展趋势提供了重要的理论和实现的技术基础，为了满足各种加工生产需要，人们把电子技术、计算机技术应用到机械加工行业，设计了各种数控机床，使数控机床得到了空前快速的发展，数控机床己成为现代制造技术的基础和核心，也是柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、智能化制造系统(IMS)及工厂自动化(FA)的基本组成单元。数控机床的合理设计与使用直接维系着产品质量的高低，而衡量数控机床设计与使用过程中性能优劣的重要指标是数控机床的精度。
数控机床精度通常指机床定位至程序目标点的精确程度，通常是机床空载情况下在数控轴上对多目标点进行多回合测量后通过数学统计计算出来的。数控机床的精度指标主要包括加工精度、定位精度、重复定位精度和回转轴精度等，其中加工精度是衡量数控机床工作性能的非常重要的精度指标，而数控机床的加工精度受到机床结构、装配精度、伺服系统性能、工艺参数以及外界环境等因素的影响，随着对数控机床加工精度要求不断提高，如何使数控机床加工精度控制在所追求的目标范围内，则是一个需要不断研究的重要课题。
数控机床的误差是指机床按某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异。误差产生的原因主要是机床的几何误差、运动误差、温度误差和力学误差,而其中占主导地位的是几何误差中具有重复性的部分。所以，对这类几何误差的测量、分析和补偿就成为了研究机床误差的工作重点。机床空间误差补偿的一个重要内容是怎样先将误差分解到各个运动轴上，然后对机床运动的指令位置进行修正,且不影响数控软件中位置环的控制周期。这就要求补偿软件的处理速度不能太慢,特别是对于高精高速的数控机床，补偿处理的速度要求更高。因此，研究一种快速有效的空间误差测量和补偿方法，其意义十分重大。
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第二章 数控机床
2.1 数控机床概述
2.1.1 数控机床的工作原理：
数控机床是采用了数控技术的机床,它是用数字信号控制机床运动及其加工过程。具体地说,数控机床加工零件时,首先根据所需要加工的零件的形状特征和所要求的尺寸来编制零件的数控程序,这是数控机床的工作指令。通过使用MDI键盘、个人计算机、PC卡和手持文件盒等外部I/O设备,将数控程序输入到数控装置,经过进行相应的译码、运算和逻辑信号处理后,发出指令,自动控制机床主运动的变速、起停、进给运动的方向、速度和位移大小,以及其他诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却润滑的启、停等辅助动作,使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序路程和参数进行精确的动作,从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。
2.1.2 数控机床的硬件构成：
数控机床一般由输入/输出设备、数控装置(CNC) 、伺服单元、驱动装置(或称执行机构) 、可编程控制器( PLC)及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图1为数控机床的硬件构成。
图1 数控机床的硬件构成
2.1.3 数控机床的特点：
数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的，它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比具有以下明显特点：适合于复杂异形零件的加工，加工精度高，质量稳定可靠，柔性好，生产效率高，劳动条件好，有利于现代化管理，投资大使用费用高，生产准备工作复杂，维修困难。
2.1.4 数控机床的分类：
数控机床的品种很多，根据其加工、控制原理、功能和组成，可以从以下几个不同的角度进行分类。按加工工艺可分为普通数控机床和加工中心，按运动方式可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机车，按控制方式可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统，按联动轴数可分为两轴联动、三轴联动和多轴联动。
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2.2 多轴数控机床
数控机床发展到今天，己经形成了一个种类繁多的庞大体系，就是否拥有闭环约束而言，可以区分为带闭环约束的并联机床和无闭环约束的串联机床，串联机床因其控制简单、结构清晰、应用范围广，最早被广泛应用于制造业的生产实践中，也是目前使用范围最广、拥有数量最多、门类最齐全的加工机械。串联机床根据加工应用的需要可以拥有数量不等的伺服轴，如单轴、二轴、三轴及三轴以上，通常把三轴以上机床统称为多轴机床。
零件的机械加工是在机床上通过刀具与零件的相对运动并构成切削完成的，我们称这类相对运动为成形运动，其形式和稳定性决定了零件形状和精度，而将参与完成形运动的机床部件总称为成形系统，刀具上直接参与切削的点称为成形点，成形点在工件坐标系中坐标的形式称为刀具轨迹。另外，刀具姿态在机床成形运动中也可能发生变化，固定在刀具上的矢量在工件坐标系中坐标的形式称为刀具姿态轨迹。成形运动有理想运动和实际运动之分，因此刀具轨迹也有理想刀具轨迹和实际刀具轨迹之分。
多轴数控机床中成形系统共有工作台定位、平动进给轴及转动进给轴、主轴单元、装夹和床身等部件组成。如，对于三轴数控机床，成形系统共有工作台定位、X轴平动、Y轴平动、Z轴平动、主轴单元、装夹和床身等7个部件。根据多轴数控机床主轴方向的不同可以分为立式和卧式两大类，还可以根据多轴数控机床进给运动轴之间的关联关系对多轴数控机床进行进一步分类。根据进给运动轴之间的关联关系的区别，三轴立式机床分为FXYZ型、XFYZ型、XYFZ型和XYZF型；三轴卧式机床又分为FXZY型、XFZY型、XZFY型和XZYF型。其中F前面的字母表示工件分支相对机床床身的平动方向，F后面字母表示刀具分支相对机床床身的平动方向，如XFYZ中F前的X表示工件所在的工作台相对机床床身可做沿X轴方向的平移运动，F后的Y、Z表示刀具所在的主轴箱相对机床床身可做沿Y轴和Z轴方向的平移运动。又如，带单个回转轴的四轴数控机床和带两个回转轴的五轴数控机床是在三轴联动数控机床上叠加一个或两个回转工作台发展起来的，并一般把回转轴安装在三轴联动数控机床平动链的前后。根据回转轴与平动轴的关联关系，四轴数控机床可以分为TTTR型、RTTT型；五轴数控机床可以分为RRTTT型、RTTTR型和TTTRR型。其中T表示平动轴，因此TTT代表上述任意三轴机床；R表示回转轴，可以绕X轴回转，也可以绕Y轴或Z轴回转。因此还可以根据T和R所代表的坐标轴的不同进一步细分。
多轴数控机床通过多轴联动，可以实现复杂工件型面的加工，成为数控机床发展的趋势。为了适应日益复杂的工件型面加工要求，多轴数控机床己由最初的两轴联动发展到五轴以上联动。但是由于多轴数控机床随着联动轴数的增加，其机械结构和成形运动过程随之复杂，影响机床加工精度的因素及其复杂性也相应增加，如何保障和提高加工精度是一个需要深入研究的重大课题。现在的多轴数控机床，为了保证和提高多轴数控机床的运动的严格性，从机床运动学角度来看，机床成形系统某单元相对于前面的单元，其运动通常只有一个自由度的直线运动或回转运动，其余自由度都受到了约束，而提高成形运动的灵活性方法通常是增加运动单元数目和联动轴数。
多轴联动数控机床特别是五轴及五轴以上联动数控机床是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段，代表着一个国家机械制造业数控技术发展的最高水平。而精密、超精密多轴数控机床是进行精密、超精密复杂零件表面加工的必要手段，与其他它
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精密、超精密加工技术并列成为当前制造技术学科的重要分支，是一个国家精密制造能力强弱、制造水平高低以及科学技术水平的重要标志，成为在国际竞争中取得成功的关键技术。随着微电子、电力电子、航空航天等尖端科学技术的兴起，对精密、超精密产品、零件产生了强烈的需求，更加速了机械加工技术的精密、超精密加工技术的发展。数控机床技术的迅速进步大大推进了精密、超精密加工技术的发展，使加工精度提高到了一个新的台阶。当前，精密加工的加工精度达到了l-0.1μm、表面粗糙度达到了0.1-0.025μm，超精密加工的加工精度已高于0.1μm、表面粗糙度已小于0.025μm，而超精密切削加工己达到尺寸精度为0.01-0.001μm，表面粗糙度Ra0.001-0.004μm的水平，标志着超精密加工己进入纳米级精度阶段，而这些成就的取得在相当程度上得益于数控机床技术的发展。
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