机床热变形及补偿技术(《数控机床误差实时补偿技术》)

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读《数控机床误差实时补偿技术》

杨建国、范开国、杜正春著

“误差补偿技术的巧妙之处在于加工出的零件精度可比加工母机的精度还高”

第一章 绪论

1.1数控机床误差补偿研究的意义

制造业的高速发展和加工水平的快速提高，对数数控机床的加工精度提出了越来越高的要求，一般来说，数控机床的不精确性由以下的原因造成：

机床零、部件和结构的几何误差

机床热变形误差，简称热误差

切削力引起的误差，简称力误差

刀具磨损引起的误差

控制误差，如机床轴系的伺服误差、数控插补算法误差

其他误差，如颤振引起的误差等

几何误差、热误差占了总误差的绝大部分。

提高机床精度的基本方法：误差防止法&误差补偿法

1.2数控机床误差补偿的基本概念、特性及步骤

误差补偿技术（Error Compensation Technique，简称ECT）是一门新兴技术。

1.2.1数控机床误差补偿的基本概念与特性

1.概念

误差补偿是人为地造出一种新误差去抵消或削弱当前成为问题的原始误差。最早的误差补偿是通过硬件实现的。进来发展的软件补偿，其特点是在对机床本身不作任何改动的前提下，综合运用当代各学科的先进技术和计算机控制技术来提高机床加工精度。

2.误差补偿的特性：科学性、工程性

1.2.2数控机床误差补偿的步骤

误差源的分析与检测。对于热误差最好还要进行热变形模态分析，以获取表征机床温度场并用于机床热误差建模的关键温度点，为建立该误差的补偿模型做好准备。热误差的检测方法涉及到温度传感器的优化布置，而温度传感器在机床上的安装位置是误差补偿的主要障碍。现在很多布置方法在一定程度上是根据经验和试凑进行的。选择适当的温度传感器的位置就成为机床热误差精确建模的关键。

误差综合数学模型的建立。综合数学模型是进行误差检测及误差元素建模的关键。近年来开发了标准齐次坐标变换法，建立了几何和热误差两者的综合数学模型。

误差元素的辨识和建模。误差元素建模是在误差元素辨识与检测的基础上，依据误差综合数学模型，通过各种方法建立误差与自变量的数学关系。常用的建模方法有最小二乘法、回归法、神经网络法、正交试验设计法、正交多项式法、综合最小二乘法、模糊算法、遗传算法、蚁群算法等，各方法的基本思路都是建立误差目标函数并令目标函数取极值，从而得到误差模型的相关系数，区别是建模的过程和算法以及模型的形式不同。误差元素建模是误差补偿技术中最为关键的步骤，也是最为复杂和困难的工作。

误差补偿的执行。误差补偿的具体执行是通过运动副使刀具或工件在机床空间误差的逆方向上产生一相对运动而实现的。早期是通过离线修改数控代码来实现的，近年来采取的技术有反馈中断法和原点平移法。反馈中断法是将相位信号插入伺服系统的反馈环中而实现的，该技术无需改变CNC控制软件，可用于任何CNC机床；原点平移法需要改变CNC控制器中的可编程控制器（PLC）单元。

误差补偿效果的评价。有三种方法，分别是传感器主轴热漂移检测法、激光斜线测量评价法、实际切削试验法。

1.3数控机床误差补偿技术研究的历史、现状和发展

1.3.1数控机床误差补偿技术研究的历史

1．机床几何误差补偿历史

对于几何误差的补偿，首先需要确定数控机床的几何误差元素。

2.热误差补偿历史（P9~P13）

3.多误差综合补偿历史

4.其他方面

1.3.2数控机床误差补偿技术研究的现状

主要不足和难点：

误差补偿运动控制的实现

数控机床误差的综合建模和补偿问题（绝大多数的补偿将几何误差和热误差分开进行）

机床误差检测和辨识时间过长问题

误差补偿模型的鲁棒性

五轴数控机床多误差实时补偿问题

1.3.3数控机床误差补偿技术的发展趋势

主要体现在：

多误差高效检测方法

多误差的综合补偿

多轴误差的实时补偿

实时补偿控制系统的网络化、群控化

补偿的智能化与开发化

编者主要成就：P19