下载文档原格式
数控加工中的误差分析及补偿方法作者：王杉来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2016年第05期摘要：随着我国第二产业的发展，数控机床等数控设备被广泛的利用到产业发展中。
针对在具体的数控设备的数据加工中对于误差进行科学的分析，认真的分析在对刀操作中可能出现的失误，对于出现失误的原因和出现的具体误差进行科学的分析。
根据具体的在机床过程中相关标准的数据和原理，对于在操作过程中出现的误差进行有效的补偿。
对于数控加工中的误差进行科学的分析并且提出相应的误差有效补偿方法，保证数控设备的正常运转，保证生产的持续进行有着重要的意义。
关键词：数据加工；误差分析；补偿方法中图分类号： TG659 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）15-183-21 轮廓加工过程中的误差和补偿方法在具体的轮廓加工中，刀具中心轨迹要与具体的被加工零件的轮廓有一个等距线，一般为一个道具半径。
我们在进行轮廓加工的数控编程中，考虑的是相对静止的情况，因而在编程时对于机床上的装夹位置没有必要进行论证和思考，此意在具体的选择坐标系建立模型时，可以把具体零件的外形轮廓具体的测量出来，但是在具体的数控加工中，程序并不是控制的零件边缘，而是刀具中心的轨迹，对于并不规则的零件而言，进行刀具中心的具体定位是很麻烦的，因此在轮廓加工过程中引入补偿理念，利用具体的补偿方法，有效的确定刀具中心的轨迹和位置。
具体来说就是利用刀具本身的微小位移，修正在加工过程中的道具的实际尺寸与变成数据的差别，此时实际的刀具尺寸和编程数据是不统一的，在编程时相对护士刀具尺寸，可以省掉大量的时间对于刀具本身进行测量。
在加工过程中把假设值与编程值相统一，这样刀具中心归集就与零件的外形轮廓相重合，因此引入补偿方法，可以直接按照零件外形进行编程的设置，在这个过程中刀具半径在理论上被设置为零，所以不用考虑刀具半径本身对于轮廓加工的影响。
但是在具体的加工进行前要考虑到刀具尺寸的影响，进行相应的补偿。
精密复杂零件数控加工在线检测误差补偿研究发布时间：2021-09-06T11:07:37.133Z 来源：《科学与技术》2021年4月11期作者：张淞[导读] 精密复杂零件制造是一个国家制造业水平的集中体现。
随着我国数控加工张淞航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江哈尔滨 150000摘要：精密复杂零件制造是一个国家制造业水平的集中体现。
随着我国数控加工技术的飞速发展．人们对在线检测技术提出了更高的要求。
当前国内大量在线检测软件受机床系统、测头品牌等限制，编程烦琐，价格昂贵无法通用。
开发一套宏程序在线检测库，引入数控机床系统，通过调用宏程序并赋值，生成所需要的在线检测程序。
控制加工中心自动完成检测任务．这样不但可以有效提高产品检测精度、效率，还可以大大降低检测成本。
关键词：精密复杂零件数控加工；在线检测误差补偿；前言：制造业装备技术的不断进步，对零件的加工精度和效率等提出了愈来愈高的要求。
与规则零件相比较，复杂曲面零件的设计、加工和精度检测等过程更为复杂，要求有相应的检测技术对不同尺度、不同精度要求的各类复杂曲面加工精度进行检测和保证。
一、精密复杂零件数控加工在线检测原理复杂零件通常由圆柱、圆锥、凸台、凹槽、球、椭圆等几种基本体组合而成．将一个精密复杂零件按不同特征分解为不同的基本体。
在计算机上生成基本体在线检测宏程序，将基本体在线检测宏程序由通信接口传输至数控机床，通过调用基本体在线检测宏程序库中的宏程序并赋值，生成所需要的在线检测程序。
机床伺服系统驱动测头对被测件上的点、线、面、圆孔、圆柱、圆锥、凸台、凹槽、球、椭圆等基本体进行测量，测头测量时发出的触发信号通过测头与数控系统的专用接口转换为数控系统可识别的信号。
数控系统接收信号后，记录下各测量点坐标，对坐标进行处理，最终获得组合体的测量结果。
二、精密复杂零件数控加工在线检测误差补偿1.在线检测系统在误差分析与补偿的科学研究领域上仍然存在着关键性目前国内所开发的在线检测系统的检测对象较为单一，针对复杂曲面的在线检测系统较少，然而复杂曲面的零部件的应用越来越广泛，只能针对简单规则形体（如平面、圆柱等）的在线检测平台不能满足要求。
*本文是山东省优秀中青年科学家科研奖励基金计划项目,编号:02BS076收稿日期:2004)04)12作者简介:王清明(1966)),男,山东潍坊人,副教授,工学博士。
零件端面切削误差在线补偿技术研究王清明(潍坊学院, 山东 潍坊 261061)摘要:本文在研制的超精密车床上,提出了零件端面加工的误差在线测量与补偿原理,并建立了误差补偿控制系统,并进行了误差补偿实验,结果表明,所建立的误差补偿系统是可行的、非常有效的。
关键词:在线测量;误差补偿;端面加工中图分类号:TH161 文献标识码:A 文章编号:1008)2816(2005)04)0061)02在精密超精密车削加工中,零件的加工精度要求很高,由于车削过程中影响零件加工精度的因素多且复杂,机床本身的精度很难满足要求,甚至在离线建模进行补偿的情况下零件的加工精度仍然不能令人满意,因此采用误差在线测量和补偿的方法,才能保证零件的加工精度,这种方法属于加工过程的在线测量和控制,这是实现超精密加工的必要甚至是唯一的手段[1],纳米级加工的时候,随机误差的在线测量和闭环控制是不可缺少的[2]。
误差补偿量在线测量有两种方法,一是在加工过程中在线测量影响加工精度的各项误差,然后把各项误差合成为加工点的误差补偿量;二是在加工过程中直接在线测量加工点的误差补偿量,它包括一维误差、二维误差和三维误差,相对而言一维误差的测量比较简单,二维和三维误差的在线测量则非常困难。
对一维误差补偿可以利用直接测量加工点偏差的方法补偿,对二维或三维误差补偿则基本上均用在线测量误差合成的方法进行补偿,本文拟采用在线测量误差合成误差补偿量的方法进行补偿。
本文提出车削端面的误差在线测量与补偿原理,并在研制的亚微米超精密数控车床[3]上对端面车削补偿进行了试验,效果很好。
1 车削端面误差在线补偿及试验由[3]知:影响车削端面加工精度的主要误差是主轴和X 轴垂直度误差B x <、X 溜板Z 向直线度误差D z (x )、X 溜板翻滚误差A (x )、X 溜板偏摆误差B (x )和Z 溜板偏摆误差B (z ),因为A (x )和B (x )两项误差的影响表现为刀具的直线度误差,因此实际上只有三个误差。
精密复杂零件数控加工在线检测误差补偿研究发布时间：2021-09-06T11:23:55.217Z 来源：《科学与技术》2021年4月11期作者：王晓庆[导读] 精密复杂零件制造是一个国家制造业水平的集中体现。
随着王晓庆航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江省哈尔滨市 150000摘要：精密复杂零件制造是一个国家制造业水平的集中体现。
随着我国数控加工技术的飞速发展,对在线检测技术提出了更高要求。
本文详细论述了精密复杂零件数控加工在线检测误差补偿。
关键词：精密复杂零件；数控加工；在线检测；误差补偿随着现代技术的高速发展，机械制造行业零件形状越来越复杂，且零件的质量问题是在机械制造业中急需解决的问题。
零件的加工误差评定和误差补偿技术是零件质量的关键问题。
由于传统离线方案利用三坐标测量机(CMM)对零件进行检测，存在二次装夹误差问题，以及大型零件难以实现检测和评价的技术难题，在线检测方案应时而生，在加工制造业中应用较广泛。
一、数控加工技术的特点数控加工的基本含义较模糊，一般只要是在数控机床上进行的零件加工，均可归入到数控加工领域。
数控机床控制通过计算机实现，使机械生产过程中“人”的影响降到最低，用于实现这个控制过程的计算机被称作数控系统，数控系统能根据基本程序控制数控机床的运动，其基本程序是程序员在深入研究工件材质、机床性能、加工需要等问题后，联系系统指令格式编制而成。
系统的输出指令一般需要包括机床和主轴的启停指令、主轴的旋转及转速控制指令、进给运动控制指令、刀具更换及运动指令等。
1、精度高。
因采用了计算机插补技术，即便是机床各部件存在着一定误差，也能通过及时的反馈，修正这一误差，从而实现高精度加工。
2、加工速度快。
数控加工工序集中，自动化程度高，同一批零件许多工序都能在同一台机床上进行加工，不仅省去了频繁编写程序的麻烦，且不会出现人为误差，工序集中后，省去了繁杂的零件装卸工序，有效提升了加工速度。
专利名称：适用于批量生产零件的可补偿形状误差的车削加工方法
专利类型：发明专利
发明人：王晓兵,高原,汪学斌
申请号：CN201610977659.1
申请日：20161108
公开号：CN106563817A
公开日：
20170419
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种适用于批量生产零件的可补偿形状误差的车削加工方法，包括：1)对批量零件中的第一件零件，粗车加工轮廓；2)按理论轮廓进行精加工；3)获得检测点的工件实际值与最终理论值的两个方向误差量即精加工误差量；4)换装下一件同类零件，执行步骤1)；5)精车加工该下一件零件轮廓，且精加工中补偿前一个零件的精加工误差量；6)对该下一件同类零件重复步骤3)；7)对后续同类零件的每一个按照步骤(4)‑(6)进行处理，其中每次后一个零件精加工的误差补偿量为在前加工的所有零件的精加工误差量之和。
本发明的方法可以有效降低由于刀具磨损等因素而产生的批量加工的零件形状误差，提高零件加工精度和生产效率。
申请人：湖北三江航天险峰电子信息有限公司
地址：432100 湖北省孝感市北京路52号
国籍：CN
代理机构：武汉东喻专利代理事务所(普通合伙)
代理人：李佑宏
更多信息请下载全文后查看。
有关于车削加工误差补偿技术的简单介绍车削加工件车削加工热误差产生及分类：随着对机床精度要求的进一步提高，热误差在总误差中的比重将不断增大，机床热变形已成为提高加工精度的主要障碍。
机床热误差主要由马达、轴承、传动件、液压系统、环境温度、冷却液等机床内外热源引起的机床部件热变形而造成的。
机床几何误差来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合误差、机床部件的动、静变位等等。
误差补偿基本方法：1、综上所述及相关参考文献，可知车削加工误差一般是由下列因素引起的：2、机床热变形误差;3、机床零部件和结构的几何误差;4、切削力引起的误差;5、刀具磨损误差;6、其他误差源，如机床轴系的伺服误差，数控插补算法误差等等。
提高机床精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法。
误差防止法是试图通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源。
误差防止法在一定程度上对于降低热源温升、均衡温度场和减少机床热变形是有效的。
但它不可能完全消除热变形，且花费代价是很昂贵的;而应用热误差补偿法则开辟了一条提高机床精度的有效和经济的途径。
车削加工件相关结论：车削加工误差的研究是现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术，误差的产生是多方面的，对热误差的分析与研究有利于提高车削精度和技术要求。
误差补偿技术能满足工厂实际生产要求的高精度、低成本，热误差补偿技术可以修正主轴(或工件)与切削刀具之间的热漂误差，提高机床加工精度，降低废品、增加生产效率和经济效益。
现代机械制造技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能方向发展。
精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。
车削加工误差随着精密加工的广泛应用也成为了研究的热门课题。
由于在机床的各种误差中，热误差以及几何误差占据着绝大部分，故以减少这两项误差特别是其中的热误差成为了主要目标。
误差补偿技术(Error Compensation Technjque，简称ECT)随着科学技术的不断发展而出现并发展起来。
第19卷第4期山东理工大学学报(自然科学版)Vol.19No.4 2005年7月Journal of Shandong U niversity of T echnolo gy(Sci&T ech)Jul.2005文章编号:1672-6197(2005)04-0043-04零件圆柱面车削误差在线补偿技术王清明(潍坊学院办公室,山东潍坊261061)摘要:在研制的超精密车床上,提出了零件圆柱面加工的误差在线测量与补偿原理,并建立了误差补偿控制系统.实验结果表明:加工零件的圆柱度误差减少了80%.关键词:误差补偿;在线测量;圆柱度中图分类号:TH161文献标识码:AStudy on on-line error compensation of partcylindrical surface machiningWANG Q ing-ming(Weifang Collegc,Weifang261061,China)Abstract:On the developed ultra precision lathe,the author proposes the principle of error on-line measurement and compensation of part cylindrical surface m achining,and builds error com-pensation control system.The experimental results show that the cylindricity of machined part is reduced to80%.Key words:error compensation;on-line m easurement;cylindricity高精度圆柱类零件在诸如人造卫星等高精度产品中有广泛应用,其加工手段主要是精密超精密车削.在精密超精密车削加工中,误差补偿技术是保证零件加工精度不可或缺的手段,特别是加工过程中的动态误差不容忽视[1],甚至在某些情况下成为影响加工精度的关键[2].本文采用误差补偿量在线测量合成的方法,对零件的圆柱度误差进行补偿,效果令人满意.1误差补偿系统的建立1.1误差源分析与测量在车削圆柱面时X溜板不动[3],因此影响零件圆柱度误差的误差源主要是Z溜板的翻滚误差A(z)、偏摆误差B(z)和X向直线度误差D x(z)及溜板运动轴线与主轴回转轴线之间的平行度误差A z<.圆柱度误差在线补偿原理如1图所示,用一根标准直尺和两个电感测微仪在线测量Z溜板的运动收稿日期:20050603基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励资金资助资目(02BS76)作者简介:王清明(1966男,博士.误差D x (z ),A(z )和B (z ).其中测量B (z )有两个用途,一是用于补偿零件的圆柱度误差,二是用于伺服系统的伺服控制,Z 向激光系统的布置不可避免存在着阿贝误差,阿贝误差来源于B (z ),测量B (z )后就可以利用Z 向激光系统与主轴在水平面内的距离求得该阿贝误差,以便于把该误差附加到伺服系统的反馈环中或者作为误差送入补偿执行机构.1.2直尺和传感器的安装与标定要想保证补偿精度,除了对传感器和直尺的安装和本身精度提出要求外,还有两个问题需要解决,一是两个传感器的标定问题;二是标准直尺的标定问题.对两个传感器的位置提出3个要求,一是两个传感器和主轴回转轴线应尽量处在一个水平面内;二是两个传感器轴线平行且与直尺平面垂直;三是两个传感器之间必须保持一定的距离以保证准确测量溜板的偏摆误差.同样对标准直尺的位置也提出三个要求,一是标准直尺应尽量保证与溜板的运动方向平行;二是标准直尺经过标定的位置(传感器测量的位置)保证和主轴轴线等高,三是标准直尺本身的直线度误差曲线变化应该尽量平稳.图1 传感器和直尺布置示意图1)标准直尺的标定.标准直尺直线度误差的准确标定是实现误差在线测量与补偿的关键,目前标定方法主要有三种即:直接测量法、间接测量法和直尺反转法.(1)直接测量法.如果有高精度测量仪器,直接测量直尺的直线度误差是最方便的,如文献[4]用激光束作为直线测量基准,用二维压电陶瓷支持架装夹测量传感器测量零件的直线度误差,测量精度达到了纳米级,目前国内很难达到如此高的精度.哈尔滨工业大学研制的直线度误差激光测量系统测量精度为0.1L m.(2)直尺反转法.该法的一个突出优点是能同时分离出直尺的直线度误差.设溜板的运动直线度误差为M (x ),直尺的直线度误差是S (x ),正反向两个位置测量时传感器的输出分别为L 1(x )和L 2(x ),则L 1(x )=M (x )+S (x )L 2(x )=-M (x )+S (x )(1)求解(1)式即可得到M (x )和S (x )M (x )=[L 2(x )-L 2(x )]/2S (x )=[L 1(x )+L 2(x )]/2(2)传感器的输出L n (x )(n =1,2)用多项式拟合为L n (x )=A n +B n x +C n x 2+,式中:A n 为直流分量即测量的初始值;B n x 为直尺与溜板运动方向的安装误差.通过拟合可以消除这两项,由于拟合会引进不确定性,因此采用(2)式拟合消除这两项后得到溜板的直线度误差和直尺的直线度误差,而不用(1)式.在实际应用中,造成直尺反转法测量不确定性的主要原因有两个,一是环境因素的影响,特别是环境温度的变化及振动,另一个是反向过程中直尺和传感器的再定位误差,这就有必要利用溜板的位置信息直接控制反转法测量过程,以保证两次测量溜板的位置相同,测量原理如图2所示,这样再定位误差就成为传感器测头与直尺标定开始点的对准问题,包括高度方向和溜板轴线方向.作者采用传感器安装在溜板上并且使直尺反转前后在溜板的一侧的方法进行测量.如果反向后传感器与直尺对准误差为$x 简称对准误差(设高度方向没有误差),则(1)式变为L 1(x )=M (x )+S (x )L 2(x )=-M (x )+S (x +$x )(3)对方程组求解得 M (x )=[L 1(x )-L 2(x )]/2+[S (x )-S (x +$x )]/2=44山东理工大学学报(自然科学版)2005年[L1(x)-L2(x)]/2-12$x ddxS(x)(4)由(4)式知道:如果直尺的直线度误差S(x)的最大梯度很大,则利用反转法测量溜板的直线度误差的精度对对准误差很敏感,否则可允许较大的对准误差,也就是说根据(2)式得到的S(x)的梯度可求得保证溜板直线度测量精度的对准误差的最大值.利用反转法由Z溜板对Z向直尺进行标定很不方便,试验采用X溜板对Z向直尺进行了标定,如图1所示圆柱度误差补偿需要两个相距一定距离(试验距离是100mm)的传感器测量Z向直尺,由于X溜板的运动范围是150mm,再加上两个传感器是独立工作的,因此采用两次反转法分别标定两个传感器所经过直尺段的直线度误差,当然一次标定也是可以的(这是需要坐标平移处理),标定完Z向直尺后把直尺安装到Z溜板上,把传感器安装到床身上即可进行补偿加工.需要注意的是在正反两个位置测量时都需要进行多次测量并取平均值以最大程度地减少或消除随机性影响.(3)间接测量法.为了标定直尺或者验证反转法标定直尺直线度误差的精度,作者用激光测量系统间接测量了直尺的直线度误差,测量布局如图3所示,其中激光束和传感器轴线和刀具等高,这种方法的最大优点是在严格控制环境条件的情况下,一次就能测得直尺的直线度误差,不以溜板运动的重复性为基础.测量过程由Z溜板的位置确定,在某一点同时采样激光测量系统和电感传感器,设传感器输出为D(x),激光系统输出为N(x),以第一点为测量零点,则图2反传法和间接法标定直尺原理图图3间接法测量布置示意图D(x)=ax+M(x)+S(x)N(x)=bx+M(x)(5)式中:M(x)为溜板的直线度误差;S(x)为直尺的直线度误差;a,b为线性项,分别指平尺和激光与溜板运动方向的夹角.对两式分别用最小二乘拟合即可消除线性项的影响,(5)式变为D(x)=M(x)+S(x)N(x)=M(x)(6)由(6)式即可得到S(x).通过标定使用的标准直尺的直线度误差为0.08L m/100m m.2)传感器的标定.高精度、高分辨率及高稳定性传感器是获得误差补偿量的关键,因此对两个传感器进行标定以保证它们在位移测量上的统一是必要的,本试验用PI公司生产的超精密电容测微仪对两个传感器进行了标定,其最高分辨率可达到0.1nm,试验使用1nm档进行标定.标定方法是:以超精密电容测微仪作为测量基准,利用微进给工作台对两个电感传感器进行标定.其中微动工作台的分辨率是0.02L m,微位移范围是12L m.经标定两个传感器标定结果分别是0.648V/L m,0.660V/L m.1.3圆柱度误差补偿原理把Z溜板定位到零点后,校正安装直尺和传感器,由实测结果知道:直尺的直线度误差曲线比较平坦,因此对对准误差不是很敏感,但是尽量小心安装保证直尺与溜板运动方向平行还是很重要的,这一点可以通过多次拟合多次调整来实现,调整完成后拟合出直尺和溜板运动方向之间的夹角H z,设在Z 溜板运动过程中偏摆误差为B(z),如图4所示,且设两个传感器的初始值为零,则45第4期王清明:零件圆柱面车削误差在线补偿技术B(z)=[V2(z)-S2(z)-V1(z)+S1(z)]/L(7)式中:S1(z),S2(z)分别是两个传感器在测量范围内直尺直线度误差的多项式拟和函数;V1(z),V2 (z)分别是两个传感器的读数;L为)))两个传感器之间的距离,即100mm.1)加工点误差补偿量的计算.补偿的误差有4项,其中D x(z),A(z)和B(z)3项误差造成的在车削敏感方向上的误差由两个电感传感器直接测量,A z<单独测量.设Z溜板在原点时的补偿量为零,主轴轴线上距离真空吸盘5mm处为切削的终点,如图5加工零件时,则在加工点z处的误差补偿量E x(z)为E x(z)=V1(z)+B(z)(L-z)+A z<z-S1(z)-H z z(8)式中L z为Z溜板的运动范围,也就是所能加工工件的最大长度.图4B(z)计算原理示意图图5补偿位置布置示意图2)误差补偿试验问题.实验采用压电陶瓷微动刀架进行圆柱度误差补偿.在Z溜板运动范围内加工直径为5100m m的圆柱面,误差补偿控制系统是独立的,进行误差补偿时需要知道Z溜板的位置,这可以通过计数器卡读码盘或者读激光器来实现.补偿加工前预先启动补偿控制程序,检测溜板是否运动,溜板开始运动即开始补偿加工.在该车床上车削高精度圆柱面时,需要补偿D x(<)和B(<)两项误差,D x (<)可以用标准圆盘的方法进行补偿,至于B(<)可参考端面补偿.误差补偿原理如图6所示.图6圆柱面加工误差补偿原理示意图2结束语本文基于直尺核传感器在线测量误差源,对圆柱度误差进行了补偿实验,测量结果表明:零件的圆柱度误差减少了80%,证明本文使用的误差补偿方法是非常有效的.参考文献:[1]Kiridena V S B,Ferre-i ra P M.Ki n ematic M odeling of Quasis tatic Errors of Three-axis M achini ng Center.J.Int.J.M ach.T ools M anufac,1994,34(1):85-100.[2]Yutaka U da,T suguo Kohno.In-process M easurement and W orkpiece-referred Form Accuracy Control System:Application to Cyli ndricalTurning U si ng an Ordinary Lathe[J].Preci sion Engineering,1996,18(1):50-55.[3]王清明.亚微米数控车床误差补偿技术研究[J].中国机械工程,1999,(10):11691172.[4]Naoya Lkaw a,Shoichi S ser Beam as a Straight Datum and Its Application to Straightness M easurement at Nanometer Level[J].Annals of the CIRP,1988,37(1):523-526.46山东理工大学学报(自然科学版)2005年。
