精密特种加工第5讲在线检测与误差补偿

精密加工与特种加工Precisionandultraprecisionmachining第四讲在线检测与误差补偿技术2020/5/23概述在线检测与误差补偿方法在线检测与误差补偿技术2020/5/23一、保证零件加工精度的途径保证零件加工精度的途径：1）“蜕化”原则，或称“母性”原则。2）“进化”原则，或称“创造性”原则。提高加工精度的途径：1）隔离和消除误差；2）误差补偿，用相应的措施去钝化、抵消、均化误差，使误差减小。第1节概述2020/5/23二、加工精度的检测1.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中进行检测。2.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测。3.在线检测工件在加工过程中的同时进行检测，又称主动检测、动态检测。2020/5/23在线检测特点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分布和发展；2）检测结果能反映实际加工情况；3）在线检测的难度较大；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；5）一般是自动运行，形成在线检测系统。在线检测类型1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿2）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿2020/5/23三、误差补偿技术1.误差补偿的概念在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、均化、钝化等措施使误差减小或消除——误差补偿。从狭义的角度分析：误差修正（校正）是指对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校正)；误差分离是指从综合测量所得的误差中分离出所需的单项误差；误差抵消是指两个或更多个误差的相互抵消；误差补偿是对一尺寸、形状、位置差值的补足。2020/5/232.误差补偿的类型（1）实时与非实时误差补偿实时误差补偿—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。非实时误差补偿—只能补偿系统误差。（2）软件与硬件误差补偿软件补偿—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，由数控随动系统完成误差补偿动作。软件与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件产生的。2020/5/232.误差补偿的类型（3）单项与综合误差补偿综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。（4）单维与多维误差补偿多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，难度和工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差补偿技术。2020/5/233.误差补偿过程1）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，确定误差项目。2）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，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。3）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构，以便在补偿点实现补偿运动。4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达到预期要求。2020/5/231）误差信号的检测2）误差信号的处理3）误差信号的建模4）补偿控制5）补偿执行机构12345计算机控制系统误差补偿系统组成示意图1－误差信号检测2－误差信号处理3－误差信号建模4－补偿控制5－补偿执行机构4.误差补偿系统的组成2020/5/235.误差补偿技术的发展1）预报型补偿Fore－castingCompensatoryControl－FCC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，对动态误差进行实时补偿。2）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。2020/5/23第2节在线检测与误差补偿方法一、形状位置误差的在线检测1.外圆、孔类形状位置误差的测量方法三点法建立如图所示的直角坐标系。O1点的极坐标为x(θ)和y(θ)。s(θ)为被测工件的轮廓形状误差。测微仪A、B、C的输出信号分别为A(θ)、B(θ)、C(θ)，则2020/5/23)()()(xSA211sin)(cos)()()(yxSB)sin()()cos()()()(212121yxSC消去x(θ)和y(θ)得三点法误差分离基本方程为)()()()()()()(2131232SCSCSCCBCAP2212sin/)sin(C213sin/cosC传感器组合信号)(P2020/5/23测量时，若取采样点数为N，则令Nk/2Nm/211Nm/222并将)()()()(21312SCSCSP离散化)()()()(21312mmkSCmkSCkSkP最后求得任意时刻机床主轴回转运动误差)()()(kSkAkx)/2sin()/2cos()()()()(111NmNmkxmkSkBky只有在主轴回转完整一周后，才能求得回转误差2020/5/23转位法采用圆光栅测量角度位置，用测微仪（测头传感器）测量工件形状误差和回转轴系运动误差，起点电路提供一个作为角度位置的起始点信号。2020/5/23转位法—反转法测量时只作一次转位，共测得两组数据)()()(11iiiSMV)()()(22iiiSMV轴系运动误差分别为两次测得的回转、所测得的两组信号分别为测头传感器两次、)()()()(2121iiiiMMVV中工件形状误差部分测头传感器所测得信号)(iS采样点序号i采样点角度位置i式中若整个检测装置的检测重复性好，则)()()(21iiiMMM可得2/)()()(2/)()()(2121iiiiiiVVMVVS2020/5/23闭合等角转位法每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转角，共测m个位置，，可得m组数据0360m)/360()()(0miSMVii运动误差；所测得的一组回转轴系测头传感器在某个位置所测得的一组数据；测头传感器在某个位置)()(iiMV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)/360(0miSm1～＝测量位置序号，iimVMi/)()(当m很大时，的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动误差)(iS2020/5/23对称转位法在0度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作一次、转位角，取转位角等于采样间隔角，共得3组数据)()()(0iiiSMV；～采样序号，n1ii位置所测得的信号；、－、＋测头传感器分别在、、01200)()()(iiiVVV轴系运动误差；测头传感器所测得回转)(iM中工件形状误差部分。测头传感器所测得信号)(iS(1)(2)(3))()()()()(12iiiiiSMSMV)()()()()(11iiiiiSMSMV2020/5/23由式（1）、（3）可得由式（1）、（2）可得)()()()()(111011iiiiiiMMMVV)()()()()(121210iiiiiiMMMVV取平均值2/)()()(12111iiiiiiMMM一般式2//)(/)()(1121111niiiiiniiinMnMM由式（4）、（5）可得（4）（5）2/)()()()()(2110101iiiiiiVVVVM2020/5/232.平面类形状位置误差的测量方法反转法测量分两次进行，在第二次测量时，工件转过180度，得到两组数据)()()(11iiixSxMxV)()()(22iiixSxMxV方向直线位置。采样点采样点序号；形状误差部分；测头所测得信号中工件直线运动误差；分别为两次测得的机床、的两组信号；分别为测头两次所测得、xxixSxMxMxVxViiiiii)()()()()(2121式中2020/5/23若检测装置重复性好，可认为)()()(21iiixMxMxM可得2/)()()(2/)()()(2121iiiiiixVxVxMxVxVxS2020/5/23平移法测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移一个步距S，得到两组数据)()()()()()(121iiiiiixSxMxVxSxMxV若机床和检测装置重复性好，可认为)()()(21iiixMxMxM可得)()()()(211iiiixVxVxSxS2020/5/23两点法取步距S为两测头的间距进行测量，若将机床直线运动部件的角运动误差忽略不计，则得到)()()()()()(121iiiiiixSxMxVxSxMxV)(ix2020/5/23三点法用间距为步距S的三个测头进行测量，则考虑机床直线运动部件角运动误差，得到3组方程)(ix2020/5/23三点法将式（1）与式（3）相加后减去2倍的式（2）得)(2)()()(2)()(11iiiiiixSxSxSxBxCxA)()()()(1iiiixxSxMxA)()()(iiixSxMxB)()()()(1iiiixxSxMxC（1）（2）（3）2020/5/23二、在线检测与误差补偿系统应用1.车削工件圆度和圆柱度的误差补偿工件圆度误差平均减小40％，工件圆柱度误差平均减小23％2020/5/232.磨削工件圆度的误差补偿工件圆度误差由0.74μm减少到0.375μm。2020/5/233.镗削工件内孔圆柱度的误差补偿补偿后的内孔圆柱度误差减少了56％～64％2020/5/234.立铣工件直线度的误差补偿该系统直线度误差减少了80％。2020/5/235.数控立铣工件平面度的误差补偿平面度误差减少了80％2020/5/236.精密丝杠螺距的误差补偿主轴溜板压电陶瓷单个螺距误差可减少89％2020/5/232020/5/23这是500纳米的测微头。2020/5/23日本三丰的100纳米级的测微头。2020/5/23这是三维移动台，精度微米级。