误差自动补偿

误差自动补偿（精选7篇）

误差自动补偿 篇1

一、前言

飞行器中自动驾驶仪上使用传感器都是微机电系统器件, 包含了加速度计、三轴陀螺、压力传感器、磁传感器等等, 这些传感器能够得到飞行器信息, 进而掌控飞行器。但是微机电系统器件具有较大漂移、噪声, 不同误差源会影响到自动驾驶仪的工作。要确保机体解算正确, 就必须要采取相应的误差补偿。

二、微机电系统自动驾驶仪概述

1. 系统结构

多路传感器所发出的信号通过低通滤波电路及AD采用电路之后, 送入到了微处理器解算出三轴加速度、角速度、磁数据、绝对压力、稳定及差压压力等等, 再进行运算就通过上面传感器数据获取飞行器的高度、姿态及空速等各种信息。

2. 定义坐标系

机体坐标系与地理坐标系定义如下图所示。

机体坐标与地理坐标

地理坐标系上, N在坐标轴上向北, W向西, T向天;而机体的坐标系中, X轴朝向为飞行器的纵轴前向、Y轴朝向着飞行器的横轴左侧, Z且表示两者构成的右手正交坐标体系。其中三个转角表示三个姿态角, 即是俯仰角θ, 横滚角γ, 航向角ψ。

三、微机电系统自动驾驶仪多传感器的误差补偿

1. 传感器标定

传感器要标定目标, 主要是把AD的采样结果转化成为实际的传感器数据, 这些数据具备带量纲。当标定转感器主要是为了得出灵敏度系数与零点值。本文以微机电系统陀螺作为范例。

当静止时, 假设得到了AD的采样结果作为零点值 (S0) ;并且将其放置到转台, 当角速度的转动达到180 (。) /S时, 就能够获得到AD的采样结果是S180。假如不对陀螺漂移进行考虑, 就能够得出任意AD的采样结果为S, 实际值的表达式为:表示灵敏度的系数。

2. 零点温度的漂移误差

零点温度的漂移就是随着温度变化传感器零点值变化, 为探讨漂移误差依然微机电系统陀螺为例, 在进行实验之时要防止到静止状态, 当温度为T0时, 就可以获得到AD采样的结果S0;当温度变化到T时, 就能够获得AD采样的结果是S0’。在实际系统之中存在S0’不等于S0, 但是实际上两个数据体现出角速度为0 (。) /S。假如不对该系统采取零点温度的漂移补偿, 把固定零点值S0带进 (1) 式中计算角速度, 就能够获得到实际角速度与角速度之间存在的误差。

依据温度的变化值, 对传感器零点漂移值进行补偿就能够获取零点真实值, 进而实现了误差补偿。对实验数据进行分析, 微机电系统的自动驾驶仪中, 零点漂移值和温度变化值就可以认为存在一种近似的比例关系。设△S0=S0’-S0, △T=T-T0, 二者之间关系表示是:

该式子中c就是待求比例系数, e表示残差。

经过实验之后就能够获取到传感器中温度变化值与零点漂移值两组数据关系式为:

应用最小的二乘法获取: (3) 进而就能够得出零点温度漂移的补偿结果

从而可以看出来, 当把自动驾驶仪器放置到地面上, 固定好并定义成零高度。补偿之后, 其高度数据基本能够保持着零高度, 和实际的高度数据一致。

3. 正交误差

相对于微机电系统自动驾驶仪三轴传感器进行组合可知, 从理论角度来看三轴数据坐标系形成了0XYZ坐标系。但是因工程安装等各种原因, 实际坐标轴和理想坐标轴比较存在一定误差, 形成了正交误差。

假设处于理想状态环境下, 组合输出数据是U1=[ux uy u:]T, 因在正交误差的影响下实际获取到数据是U2=[ux’uy’uz’]T。从坐标系的变换上进行分析, 就能够发现这两组数据上存在一些关系为:U1=JU2+E (4) 该式子中J为3*3正交的误差补偿矩阵, E表示为残差。

本文以三轴加速度的数据作为例子, 把系统在立方体的内部固定, 立方体棱和系统坐标系对齐, 把立方体六个面按照一定秩序放置到一个水平面上, 就能够获取带六组理想加速度数据的矩阵是:

式子中的g为单位的重力加速度。

假设通过三轴加速度中数据计算出实际加速度为下式:

从上面两个矩阵中可知, 采用最小的二乘法就能够求出矩阵J。

4. 数据融合补偿

在控制飞行中一个较为关键参数是姿态。在西东驾驶仪上给三轴陀螺信号的积分就能够求出姿态, 但是微机电系统器件中存在严重的漂移, 因此采用这些方法就能够姿态上所存在误差, 本文就是应用了多传感器的融合数据方式进行误差补偿。

姿态不但能够使用3*3矩阵表示还能够采用方向余弦矩阵, 也叫做姿态矩阵。依照航向、俯仰、横滚顺序进行转动, 从地理坐标系转向机体坐标系这个方向的形成矩阵, 可以表现成如下式子:

(5) 通过R微分就能够获得如下的关系:, 该式子中有:

, 其中的wx, wy, wz表示为三轴的角速度。构建出拓展的Kalman滤波方程综合不成多传感器的数据。将R矩阵中第三列元素当成状态变量, 而观测变量且是三轴加速度的信号。同时因陀螺新红漂移误差能够影响到姿态解算精度, 就必须要实时估计陀螺漂移误差, 极有:

该式子中r13、r23、r33表示矩阵第三列元素, △wx、△wy、△wz是三轴陀螺漂移误差, ax、ay、az表示三轴加速度, 重力的加速度单位用g表示。通过推导就得出状态空间模型为:

(6) v表示过程的噪声向量, w表示测量的噪声向量。

通过Kalman滤波推算出的公式估计三个状态变量 (r13、r23、r33) , 再从 (5) 中解答出横滚角与俯仰角, 可以比较发现基本上相吻合。

四、结束语

总之, 在自动驾驶仪里微机电系统中存在严重漂移, 并且具备各种误差信号源, 因此要获取正确飞行器的信息, 就需要针对各个误差源采取补偿方法, 有效增强解算的精确度。

摘要：对于飞行器而言, 控制自动飞行关键设备是微机电系统的自动驾驶仪。要实现对飞行器进行自动飞行控制, 就必须要解算出正确机体信息, 但是从实况来看一些误差对机体信息的影响, 必然影响到解算的结果。本文分析了影响解算机体信息的因素, 并对该误差进行补偿。

关键词：误差补偿,微机电系统,自动驾驶仪

参考文献

[1]付旭, 周兆英.基于EKF的多MEMS传感器姿态测量系统[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2006, 46 (11) .

[2]苏亚, 孙以材, 李国玉.压力传感器热零点漂移补偿各种计算方法的比较[J].传感技术学报, 2007, 17 (3) .

[3]周兆英, 王中林, 林立伟.微系统和纳米技术[M].北京:科学出版社, 2007年.

误差自动补偿 篇2

1被检电计的输送

在开展酸度计的鉴定工作之时, 要想确保电计一体化设计的酸度计其温度补偿电路, 能够正常运转, 便需要将温度传感器能够与电计相连。此时标准器当中的毫伏信号便不能够再被输送至电计当中。相关的检定人员在较为清楚的掌握了酸度计的内部构造, 亦或是具备有相关的电路信息的知识内容, 那么此类问题还是可以较为容易处理的。 在应对型号、厂家均完全不同的酸度计之时, 要想明确的分别出电计的输入端与温度传感器输入端, 都将是一件较为复杂的问题, 并且还会存在有如何连接方面的难题。在应对以上问题时弱相关的检定人员不具备有相关的技术能力, 便无法有效的开展检定工作。

标准器的标准毫伏信号怎样能够输送至被检电计当中, 对于这一问题可采用转换连接装置予以安装, 能够显著的提高检定工作的效率更高, 器连接方便。此种转换装置必须要具备有较为良好的通用性能, 即怎样能够实现对于不同型号、厂家酸度计的检定工作需求。要想彻底的改善并处理此类问题状况, 就必须要开展详细、深入的调研活动, 并加强设计的精度。当前所普遍采用的酸度计检定设备, 其中大量是由各个地区的检定机构依据实际的工作经验, 所研制出来的产品设备, 这些产品的研制给予酸度计的鉴定工作带来了极大的便利。然而要想实现更加标准化的统一性, 加强对酸度计检定工作的规范化, 相关的酸度计生产企业应当能够依据最新的国标要求, 来研制出相应的转换装置, 以更加良好的促进酸度计检定工作的需求。

2不同温度点的获取

依据国家标准规范要求, 在进行酸碱值当中的酸度值的检定时, 对于酸度计电计自动温度补偿器所造成的示值误差, 要能够将温度探头放入到温度恒定的水槽当中, 以取得稳固的温度点从而便于检定。同时还需要选取包含温度补偿器两侧的温度点最少要保证检测五个。一般实验室在采取自动温度补偿的酸度计进行检定时, 均会设定有自动温度补偿功能, 且具体范围通常会位于0 ~ 60℃ 之间。其中自动温度的补偿值通常也在此范围之中。在进行测量检定时便可将此温度两端的温度点以及中间选取三个点, 供给五个温度点进行测定。如若相关的实验室当中仅存在有一台恒温的水域槽, 所需要检定的酸度计电计自动温度补偿器, 所造成的示值误差时间是能够被大致估算的。这主要是由于恒温槽在由某一温度点转移到另一温度点时, 需要一定的升温或降温时间, 且时间与温度值相对也较为恒定。当前市面上所普遍销售的恒温水槽往往都是可以通用的, 并且体积较大, 因此在制冷之时所需要的前期准备时间则更长。采用9100型通用校准源电阻箱对于酸度计的温度探头温度改变情况进行模拟, 从而测定电计自动温度补偿器所造成的示值误差, 与采用恒温水槽的检定方法所得到的记过是一致的, 同时这种方法还具备有更快的速度与良好的稳定性, 并易于上手操作应用。

对于另一问题的处理方法是多购置几台恒温水槽, 如若要能够实现对于检定规程的标准要求, 便需要安排有相应数量的制冷设备, 同时还需要有具备制热功能的水槽。若采用此种解决方式, 首先带来的问题便是在设备的资金投入上, 数额过大, 其次便是设备数量的增多会致使实验室日常的电力供应、设备安放以及长期的维护工作均存在严重的问题, 并且在进行酸度计检定时设备是无法带入到现场环境的。

3检定设备的选取

酸度计是一种数量类型较多, 且已经广泛的应用于多个行业领域当中的计量检测仪器, 在大量的酸度计检定结果中均表明, 目前大部分的酸度计检定均存在一定的示值误差, 并且这一计量数值的性能还是在符合相关检测标准规范下所产生的, 并且由于温度补偿所造成的示值误差情况, 通常无法完全的满足对于检定规程的要求。因此依据相关的国家标准规范要求, 在对于电计自动温度补偿所造成的示值误差予以检定, 是很有必要的。鉴于以上诸多状况, 在进行酸度计检定之时, 应当给予相关的检定人员以更加轻巧、便于携带并且能够符合相关的检测标准要求的恒温水槽。为了促使相关的酸度计检测工作更加趋于科学性与细致性, 并增强酸度计鉴定工作的实际效率。以下本文将就针对能够改善和处理, 酸度计检定的多点恒温水槽实施措施进行讨论。

由我们当前所能够运用到的实验室常用酸度计状况来看, 无论是电计一体化的温度传感器, 亦或是单独存在的温度传感器, 相应的体积质量两均较小, 并且直径通常也会低于15mm, 长度不超过150mm, 因而相应所具备的热容量也较较低。此种试验所采用的恒温水槽体积也便不需要再进行更大规模的制作, 相应的温度介质也就能够得到明显的降低。目前的半导体温度转换技术已经取得了十分显著的应用效果, 例如已经十分普及应用的车载冰箱设备, 同时相关的半导体制冷模块也能够较为方便的购买得到, 且价格较为合理。同时再加之相应的开关电源技术也已经较为成熟且可靠, 所能够被应用的范围已经十分广泛且类型较多。如若将以上诸类十分完备的零部件组装运用到恒温水槽当中, 以促使数个恒温水槽能够完整的组合起来, 并且达到同步工作的要求。采用此种方式便能够明确出酸度计检定所需检测的五个温度点, 这样不仅能够显著的降低恒温设备的准备时间, 并且也能够促使设备的重量与体积均得到明显的缩减。相应的现场鉴定工作也便能够得到可靠的保障。并且半导体温度转换设备在实际工作当中所产生的环境噪音也较低。

借助于以上的实验室设备制造测试, 可将两个60W的半导体模块组合起来, 从而形成一个80mm × 80mm的半导体模块, 在正常室内温度为30℃ 的状况下, 将400ml的水体温度降低到0℃ 需要花费50min, 而将温度升高至60℃ 则仅需要花费20分钟。这便有效的证明了采用400ml室温环境为30℃ 的水将其充当为温度介质, 同时采取科学、合理的设计, 并运用优秀的保温材料设备, 便能够在60min之中获取到0 ~ 60℃ 之间的五个温度点。如果采用较低温度点的水体作为温度介质, 最好设定为0℃ 为宜。

研究此种较为实用并且可选取五个温度点的恒温水槽设备, 所设计的主要原因包含有以下两类, 其一是供给于实验室使用, 其二是方便携带能够带入到现场检测环境当中。由恒温水槽的温度控制原理而言, 可将其划分为介质循环与直接温控两种类型。此种技术设备在投入使用后所能够主要改善并解决的问题, 主要是针对与恒温时间、水槽体积、设备重量等方面的缩减。

4结束语

总而言之, 要加强对于酸度计电计自动温度补偿器引起示值误差的检定, 就必须要详细掌握所采用的温度传感器的具体类型, 以及所具体的检测应用范围相对应的电阻数值和毫伏数值, 从而便能够采用相适应的标准器, 给予相应的电量输出并模拟传感器的温度改变来予以检定, 以达到提供工作效率, 合理处理示值误差的目的。希望借助于本次研究, 能够为相关的酸度计检定工作提供一些参考、借鉴。

参考文献

[1]钟雪姨.酸度计示值总误差的测量不确定度评定[J].计量与测试技术, 2013 (9) .

数控机床误差测量与补偿 篇3

1.1 误差的来源

数控机床的误差来源比较复杂。机械加工的误差主要来源于机床、加工过程和检测等三个方面。如: (1) 床身、主轴、立柱、导轨、旋转轴等机床零部件在制造过程中引入的尺寸误差及装配过程中引入的装配误差; (2) 机床在负载下的变形及机床结构的力变形引起的定位误差; (3) 伺服跟随系统引起的误差。 (4) 具体工况中振动、湿度、温度、气流等因素引起的环境误差及检测误差等[1,2], 图1为数控机床的主要误差来源。

1.2 误差的分类

根据误差的性质、误差的来源以及误差的时间特性不同, 可以将误差分为以下类型: (1) 按其性质可分为:系统误差和随机误差。 (2) 按其来源可分为:几何误差、切削力误差、热误差和控制误差、检测误差等。 (3) 按其发生的时间特性可分为:静态误差和动态误差[3,4,5]。

2 激光干涉仪测量原理

目前, 国内外用来检测数控机床几何误差的工具有很多, 常见的有一维球列测量法:球柄仪测量法、正交光栅测量法和激光干涉测量法, 其中激光干涉测量法用途较广。

2.1 单频激光干涉仪

目前激光干涉仪应用较多的为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。图2为单频激光干涉仪原理图, 激光器1发出的激光束, 经镀有半透明银箔层的分光镜5将光分为两路, 一路折射进入固定不动的棱镜4, 另一路进入可动棱镜7。经棱镜4和7反射回来的光重新在分光镜5处汇合成相干光束, 此光束又被分光镜分成两路, 一路进入光电元件3, 另一路经棱镜8射至光电元件2。

由于分光镜5上镀有半透明半反射的金属膜, 所产生的反射光和折射光的波形相同, 但相位上有变化, 适当调整光电元件3和2的位置, 使两光电信号相位差90°。工作时两者相位超前或滞后的关系取决于棱镜7的移动方向, 当工作台6移动时棱镜7也移动, 则干涉条纹也跟着移动, 每移动过一个干涉条纹, 光电信号变化一个周期。如果采用4倍频电子线路细分, 采用波长λ=0.6328μm的氦氖激光为光源, 则一个脉冲信号相当于机床工作台的实际位移量单频激光干涉仪工作时受环境影响较大, 放大器会出现零点漂移现象。

2.2 双频激光干涉仪

激光管从磁场内射出两束方向相反、振幅相同但频率不同的左、右旋圆偏振光, 频率为f1和f2, 如图3所示。经分光镜M1后, 一部分光束射入光电元件D1作基准频率f基 (f基=f2-f1) ;另一部分光束在分光镜M2的a处, 经滤光器处理频率为f2的光束变为线偏振光f2, 折射到棱镜M3后反射到分光镜M2的b处。

频率为f1的光束经滤光器变为线偏振光f1, 折射到棱镜M4后反射到分光镜M2的b处, 在b处两光束产生相干光束。若M4移动, 则反射光的频率产生多普勒效应, 其频差称为多普勒频差±Δf。

在b处频率为f′=f1±Δf的反射光与频率为f2的反射光汇合, 射入光电元件D2, 得到测量频率f测=f2- (f+±Δf1) 的光电流, 经过放大器后f测与f基的光电流同时进入计算机, 计算频差值±Δf, 算出棱镜M4的速度v和距离L。

双频激光干涉仪的优点:

(1) 其接收信号为交流值, 不存在零点漂移等问题。 (2) 利用计数器用来计算频差的变化, 激光强度和磁场变化对其不产生影响。 (3) 空气湍流不影响测量精度。

3 基于激光干涉仪的数控机床误差补偿实验

对两块标准试件 (如图4所示) , 通过采用双频激光干涉仪和数控加工中心进行误差补偿实验, 检验补偿效果。

两块标准试件的尺寸大小在不同条件下的结果如表1所示, 数控加工中心误差补偿效果明显。

4 总结

本文在分析数控加工误差来源及分类的基础上, 明确了几何误差的性质、产生原因、发生的时间特性及在各类误差源中所占的比重, 进一步明确了以几何误差为研究对象的必要性及现实性。针对两种常用的激光干涉仪介绍了其测量原理及特点并进行比较。最后用一台Renisaw ML10双频激光干涉仪VMC850数控加工中心进行误差测量, 以对后续的误差补偿提供准确的数据, 得到预期的补偿效果。

摘要：本文在分析数控加工误差来源及分类的基础上, 明确了几何误差的性质、产生原因及在各类误差源中所占的比重, 着重介绍了用激光干涉测量法的测量原理及特点并对其两种不同的测量方法进行比较, 最后进行误差试验, 得到补偿效果。

关键词：数控机床,几何误差,误差测量,误差补偿

参考文献

[1]Shih-Ming Wang, Measurement methods for the position error of a multi-axis machine[J].Tools manufacture, 1999 (39) :16-25.

[2]刘焕牢, 数控机床几何误差和误差补偿关键技术[J].机械工程师, 2003 (1) :16-18.

[3]范晋伟.数控机床通用空间几何误差建模方法与精密加工指令的生成技术研究[J].机械制造与自动化, 2001 (4) :154-157.

[4]曹永洁, 傅建中.数控机床误差检测及其误差补偿技术研究[J].制造技术与机床, 2007, 4:38-41.

浅析机床误差的测量与补偿 篇4

超精密加工技术作为高技术领域中的基础技术，不管是在军用工业，还是在国民经济建设中都发挥着重要的作用，是尖端技术产品开发中不可缺少的关键手段。同时，它又推动着半导体技术、光电技术、材料科学及测量技术等相关领域的发展。因此，超精密加工技术是一个国家科学技术发展的重要支撑技术，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。

1 机床主要误差

传统的超精密机床的精度主要是靠机床的基准元部件的精度达到的，而继续提高机床部件的精度已十分困难，采用微量进给机构实现刀具的精确微小位移，并在加工过程中对加工误差作出相应补偿是保证零件尺寸加工精度、实现精密、超精密切削加工的必要手段。而利用电致伸缩陶瓷提高机床几何精度的过程中，由于电致伸缩陶瓷的基本特性，在加工过程中，精微进给和粗进给应分开，以提高微位移的精度、分辨率和稳定性。将对机床的导轨误差首先进行粗进给补偿，而后利用开环控制系统对整个加工过程进行精微进给补偿。导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下3个方面：在水平面内的直线度;在垂直面内的直线度;前后导轨的平行度(扭曲)卧式车床导轨在水平面内的直线度误差Δ1(图1)。将直接反映在被加工工件表面的法线方向(加工误差的敏感方向)上，对加工精度的影响最大。

卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差Δ2(见图2)可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但Δ2对加工精度的影响要比Δ1小得多。由图可见，若因Δ2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量ΔR≈Δ22/D。若设Δ2=40mm，则ΔR=0.00025mm。由此可知，卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差对工件加工精度的影响很小，可忽略不计。

当前后导轨存在平行度误差(扭曲)时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。导轨经过一定时间使用以后，必然会产生一定的磨损，而导轨的磨损是机床精度下降的一个重要原因，因而实验时必须将其消除。

在实际的实验过程中，首先要消除导轨在水平面内的直线度误差，实现微进给系统的粗进给，但考虑到其它一些误差的影响，直接对导轨进行测量明显不够精确，因此，在这里我们采用测量小刀架运动过程中水平面内的直线度误差并进行误差分离，以便给补给做准备。

2 用水平仪、自准直仪测量直线度

直线度表示被测实际要素直的程度。直线度是一项控制直线(面与面的交线，平面内的直线，圆柱、圆锥体素线或轴线)的形状误差指标。直线度是指被测实际线对理想线的变动量，可分为给定平面内的直线对误差，给定方向的直线度误差和任意方向的直线度误差。

直线度误差的检测器具有：刀口尺、框式水平仪、合象水平仪、电子水平仪和自准直仪等。刀口尺用于检验短小工件的直线度误差，框式水平仪用于精度要求不太高的工件的测量，电子水平仪和自准直仪用于高精度工件的测量。对测量数据的处理有：两端点连线法、最小二乘法和最小区域法。它们之间有着各自的优缺点，总体来说可归纳为以下几点：

1)每种方法的计算法和作图法所得结果基本相同，相差甚微，差值乃作图，误差所致。

2)最小区域法所得结果的数值最小，两端点连线法所得结果最大，最小二乘法介于两者之间。直线度误差数值小时，三者差别甚小，直线度误差数值大时，三者差别较大。

3)两端点连线法简单方便，在生产中广泛应用。用该方法处理合格的零件，用其它方法必然合格。

4)有争议时，应以最小区域法进行裁决。

直线度误差通常用水平仪(分度值0.02mm/m～0.05mm/m，即4′′～10′′)、合象水平仪(分度值0.01mm/m，即2′′)、自准直仪(分度值为0.005mm/m～0.001mm/m，即1′′～0.2′′)和电子水平仪(分度值同自准直仪)进行测量。测量时将器具(水平仪或自准直仪反射镜)放在根据被测长度选定的适当跨距的桥板上，首尾相接的移动桥板分段进行测量，使前一次桥板的末点与后一次桥板的始点重合，由水平仪或自准直仪读出每个测量位置的读数，这个读数是后一点相对于前一点的测量值。

在桥板移动过程中，水平仪或反射镜不得有相对于桥板的移动。在考虑水平仪读数的正负号时，应考虑其移动方向，若水平仪从左向右移动，水平仪气泡也向右偏移，则右支点升高，读数应取正号。反之，若气泡向左偏移时，则取负号。测量出结果后，将测量时读得的器具的格值化为线值，按下试计算：a=τLa′，其中τ为器具分度值(mm/m);L为所用桥板跨距(mm);a′为读数格值;a为相应格值化的线值(mm)。若欲将化得的线值用μm表示，则为：a=1000τLa′两端点连线法是一种通常不符合最小条件的近似检测方法。由于它简便、实用且能满足比较高的精度要求，故在生产实践上被广泛应用。它是以首尾两端的连线作为基准评定直线度误差的方法。

参考文献

[1]马淑梅.超精密微量进给刀架的研制[N].同济大学学报 (自然科学版) , 1999 (5) .

[2]吴敏镜.超精密加工的技术基础和创新[J].新技术新工艺, 2006 (5) .

数控机床几何误差检测补偿技术 篇5

关键词：几何误差,误差补偿,误差检测,机床精度

0 引言

数控机床作为高精、高效加工复杂轮廓零件的实用工具,越来越多地受到加工行业的普遍关注,机床的加工精度更是机床制造与应用行业普遍关注的焦点。影响机床精度的因素有很多,相关研究表明,机床的几何误差占了机床加工误差的40%,是影响机床加工精度的主要因素。机床的几何误差是指由组成机床各部件工件表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所产生的机床定位误差。对于三轴机床,存在21项几何误差[1,2,3]。每个运动轴存在3个方向的平移误差、绕3个轴的旋转角度误差以及3个运动轴间的垂直度误差,如图1所示。

为了提高数控机床的本体精度,国内外学者进行了大量的研究,主要有两种方法[3]: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。实践与分析表明,当加工精度要求高于某一程度后,利用误差防止技术来提高加工精度所花费的成本按指数规律增长。

误差补偿是指人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差,通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特点和规律,建立误差数学模型,尽量使人为造出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反,从而减少加工误差,提高零件尺寸精度。显然误差补偿采用的是“软技术”,其投入的费用与提高机床本身精度或新购买高精度机床相比较,价格要低得多。因此,误差补偿技术是一项具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的手段。国外的误差补偿技术开展得比较早,取得了不少成绩,但是在国内,误差补偿技术绝大部分还主要停留在实验室范围内,在具体应用中还不普遍。

1 机床几何误差及测量技术[4,5,6,7]

机床加工和装配过程会造成机床的空间定位误差。空间定位误差是由各运动轴及运动轴间的位置误差产生的,对于独立的机床进给轴,空间误差如图2所示。由于加工和装配可能造成的空间位置误差有3个方向的位移误差以及绕3个坐标轴的旋转误差共6项误差。对于三轴联动机床而言,3个进给轴存在3×6共18项误差,再加上3个进给轴两两之间的垂直度,共计21项几何误差,如表1所示。

机床误差测量主要可分为直接测量和间接测量。

1.1 直接测量

直接测量方法就是采用激光干涉仪,将机床众多几何误差进行逐项测量,主要分为线性测量和角度测量,其测量原理如图3所示。

但是,标准的激光测量方法存在着以下缺点:对于不同的误差元素,比如直线定位误差、直线度误差或者转角误差,在进行测量的过程中需要选取不同的光学测量元件,增加了成本;误差元素的测量一般为单项测量,因此,对整台机床的所有空间定位误差元素进行测量将非常地耗时。为了避免这种直接测量误差元素耗时的缺陷,提高效率,一些学者考虑将测量的误差同误差综合模型结合起来。

1.2 间接测量

(1)双球杆仪测量。

根据球杆仪软件步骤,在数控机床上编程,使机床进给轴在联动平面内进行顺时针和逆时针加工圆轨迹运动,球杆仪软件能够根据联动圆轨迹计算分离机床的垂直度、反向间隙、控制参数等造成的误差值(如图4所示)。软件的分析数据可直接用于机床的误差补偿。

(2)多普勒激光干涉仪。

美国光动公司的多普勒激光干涉仪可以在X、Y、Z三轴分别移动时测量对角线上的位移。所测得的位移误差是平行于运动轴线方向的误差和垂直于运动轴线方向的误差的矢量和,即每次所测得的误差都是3个互相垂直的误差元素的矢量和。每个轴方向测量到的数据是仅仅由于主轴沿该轴方向运动独立产生的,这样就可以将所测量到的误差数据分离为3个轴方向运动独立产生的,从而达到误差分离的目的(如图5所示)。该方法能一次性分理出12项几何误差。

(3)激光跟踪仪。

Etalon激光跟踪仪采用三点定位原理,能够精确测量机床的空间定位坐标。根据测量要求,将激光跟踪仪放在机床运动空间的3个不同位置,使机床主轴地位在机床有效行程的三维空间内的不同位置,记录激光跟踪仪的测量数据,如图6所示。

通过软件对3组数据的处理,可以直接分离出机床的直线度、垂直度、螺距误差、定位精度等误差项,并可以生成补偿表,用于数控机床的几何误差补偿。

2 数控机床几何误差建模[2,3,8,9]

误差建模方法可归纳为矩阵法和矢量法两大类型:

(1)矩阵法。在DH坐标系中,利用齐次变换矩阵作为相邻构件间的坐标转换矩阵,在矩阵间进行乘积、微分等运算,通过相邻构件间的误差传递来建立某个位姿误差计算公式。

(2)矢量法。不是通过相邻构件间的误差传递来建立某个部件位姿计算式,而是在绝对坐标系中,通过矢量的各种运算来传递误差。用矢量法进行机器人位姿误差分析,要运用不同的数学工具,以简化最终的误差表达式。

此外,还有采用儿何法、二次关系法、机构学法、刚体运动学法等的研究。这些研究为进行机床精度分析和误差检测、补偿提供了一定的基础,但是由于存在适用范围小、没有通用性以及易产生人为推导误差等问题,未能从根本上解决机床误差建模的通用性和自动化问题。

基于多体系统理论的误差建模方法,全面考虑了影响机械精度的各项因素以及相互耦合情况,以特有的低序体阵列来描述复杂系统,误差模型由各种形式的基本矩阵组成,具有建模过程程式化、规范化、约束条件少、易于解决复杂系统运动问题的特点,非常适宜于机械误差模型的计算机自动设计。

建立多体系统误差模型,首先根据机床结构建立拓扑图,如图7所示。

在多体系统中,体与体之间在相对静止状态时或相对运动过程中总存在某种相对位置关系和约束关系。根据典型体运动特征建立相邻体实际状态下的坐标系如图8所示。

图中B0为惯性体,Bk为典型体,Bj为其相邻低序体,n0为惯性坐标系,nj和nk分别为固联在Bj和Bk体上的体坐标系(运动坐标系);np为典型体Bk的运动参考坐标系,它相对于体坐标系nj的位置不随着Bk体运动而变化。npe和nse分别为典型体位置误差和运动误差参考坐标系;Pke和sks分别为典型体的位置误差和运动误差矢量;Pk'和sk'分别为典型体的实际位置和运动矢量。

相邻低序体间nk到nj的变换等同于nk经nse、np、npe到nj的变换。用公式表示为:

其中[AJK]为nk到nj的变换矩阵,[AJK]p为Bk体运动参考坐标系相对其低序体坐标系的特征变换矩阵,[AJK]s为Bk体坐标系(动坐标系)相对其运动参考坐标系的特征变换矩阵,[AJK]pe和[AJK]se分别为典型体位置误差和运动误差参考坐标系特征变换矩阵。

(1)位置特征变换矩阵:

则有[AJK]p=[AJK]p(αkp)[AJK]p(βkp)[AJK]p(γkp)[AJK]p(pkx)[AJK]p(pky)[AJK]p(pkz)

式中,αkp、βkp、γkp为Bk体运动参考坐标系相对多体坐标系转过的方位角;pkx、Pky、Pkz为典型体运动参考坐标系原点在多体坐标系上位置矢量的量化。

(2)同理可得其运动特征变换矩阵:

则有[AJK]s=[AJK]s(αks)[AJK]s(βks)[AJK]s(γks)[AJK]s(xks)[AJK]s(yks)[AJK]s(zks)

(3)位置误差变换特征矩阵:

式中,δkpx、δkpy、δkpz、εkpx、εkpy、εkpz分别为典型体相对其相邻低序体运动误差矢量沿X、Y、Z向的分量和绕X、Y、Z轴的回转分量,可根据位置误差特征确定。

(4)运动误差变换矩阵:

其中δksx、δksy、δksz、εksx、εksy、εksz分别为典型体相对其相邻低序体运动误差矢量沿X、Y、Z向的分量和绕X、Y、Z轴的回转分量,其运动误差变换矩阵可根据运动误差特征确定。

将以上转换矩阵带入[AJK]公式即可获得两相邻低序体之间的坐标变换,以此类推,可以获取刀具工件坐标系间的误差模型。

3 展望

误差补偿技术具有低成本、高柔性等特点,可以显著提高数控机床的加工精度,在机床设计和机床加工领域具有不可替代的优势和作用,目前机床误差补偿技术刚刚进入应用阶段,误差测量、建模和补偿技术还需进一步研究和整合。

参考文献

[1]李书和,张奕群,等.多轴机床几何误差的一般模型[J].航空精密制造技术,1996,(03):9-12

[2]杨建国,潘志宏,等.数控机床几何和热误差综合的运动学建模[J].机械设计与制造,1998,(05):31-33

[3]刘又午,章青,等.基于多体理论模型的加工中心热误差补偿技[J].机械工程学报,2002,38(1):127-130

[4]张虎,周云飞,等.基于激光干涉仪的数控机床运动误差识别与补偿[J].中国机械工程,2002,21:1838-1841

[5]张虎,周云飞,等.数控机床空间误差球杆仪识别和补偿[J].机械工程学报,2002,38(10):108-113

[6]刘焕牢,李斌,等.基于球杆仪数控机床误差补偿方法研究[J].工具技术,2003,39(8):41-43

[7]洪迈生,苏恒,等.数控机床运动误差检测技术[J].组合机床与自动化加工技术,2002(01):18-23

[8]晓龙.三轴数控机床通用几何误差软件补偿技术的研究[D].北京:北京工业大学,2003

光纤陀螺的温度试验与误差补偿 篇6

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应[1]的测量仪表,它利用固态的全光纤结构实现载体自转角速度的测量。与传统的机械陀螺相比有许多突出的优点,如精度高、耐冲击、抗震性好、动态范围大、对重力加速度不敏感等。由于构成光纤陀螺的核心部件对温度较为敏感,温度已成为光纤陀螺迈向工程化所面临的难题之一。当光纤陀螺工作环境的温度发生变化时,在陀螺的输出信号中将产生热致非互易相位噪声[1,2],这种噪声是导致光纤陀螺零偏和标度因数不稳定的主要原因;当输入角速率比较大时,还会产生标度因数的非线性偏差,对于开环光纤陀螺尤为明显,因此有必要采取温度和非线性补偿措施。

论文对某型开环光纤陀螺进行了全温位置和速率试验,研究了其受温度影响的情况,通过对试验结果的分析和建模,得到了一些重要结论,对于研究光纤陀螺的温度特性[3]具有一定的工程意义和理论价值。

1 温度试验系统及试验方法

1.1 温度试验系统原理

温度试验采用带温箱的单轴速率转台来实现,试验系统包括转台及测试系统两个部分,转台包括单轴速率转台和温箱两个部分,测试系统包括PC104工控机[4]、24路继电器板、I/O板及数字万用表HP34401等几个部分,组成框图如图1所示。

各开环光纤陀螺的模拟输出信号分别接至继电器板各通道的输入端,继电器板输出转接至数字万用表的测试端口,通过工控机对I/O板编程来实现各通道之间的转换,从而实现一段时间内对多路陀螺输出信号的分时同步测试。PC104工控机通过串口与数字万用表相连,每间隔相同的时间,PC104通过串口向数字万用表发出指令,读取当前的光纤陀螺测试值。该系统能够实现对5路光纤陀螺信号的分时同步采集,数字万用表的精度为10-7。经过误差分析,该系统能够满足中低精度光纤陀螺的测试要求。

1.2 试验方法

试验包括静态位置试验和速率试验[5],用于标定不同温度和速率下光纤陀螺的零偏和标度因数,由于光纤陀螺的参数不受加速度的影响,从工程应用的角度出发,没有标定与加速度有关的参数项。

1)速率试验

根据惯性导航系统使用环境温度,以及光纤陀螺的性能指标,选取温度范围为-30℃~60℃,采样的温度点分别取为±30℃、±20℃、±10℃、±5℃、0℃、40℃、60℃,在每一个温度点下,选取15个速率点,分别为0°/s,±1°/s,±2.5°/s,±5°/s,±10°/s,±20°/s,±40°/s,±80°/s。光纤陀螺输入轴指向上方,在速率测试中,转台首先正转,然后静止,再按同样的速率反转,以消除地球自转角速度和陀螺漂移的影响。

调整温箱的温度至特定的温度值,待温箱内温度稳定后,给转台施加相应的角速率值,并采集陀螺的数据,采样间隔为1 s,在每一个速率点采集2 min的数据,取采样数据的均值用于计算标度因数。

2)位置试验

通过转动光纤陀螺来实现两位置测试,首先将光纤陀螺的输入轴向上,采集当前温度下的数据;然后,在同样的温度下,使光纤陀螺的输入轴向下,采集光纤陀螺的输出值。位置试验中采用与速率试验同样的温度点,在每一个位置采集1 h的数据,采样间隔为1 s,按照两位置方案计算光纤陀螺零偏的公式如下:

其中:U1,U2为上下两个位置的输出电压值;SF为标度因数,已在速率试验中标定过;Ωin1,Ωin2为两个位置的输入角速度,包含地球自转角速度分量,并且Ωin1=-Ωin2;b01,b02为光纤陀螺的零偏值,由于两个位置的测试时间间隔很短,可以认为b01=b02。则光纤陀螺的零偏0b的计算公式为

为了减小随机误差的影响和提高标定的精度,采用多次测量取均值的方法计算光纤陀螺的零偏。

2 标度因数的温度和非线性补偿

2.1 标度因数的模型分析

标度因数是光纤陀螺一个非常重要的性能指标,它直接影响着测试的精度和稳定性。标度因数的误差主要包括由于温度变化引起的误差,以及在输入角速度比较大的情况下,引起的标度因数非线性偏差。在开环光纤陀螺中,标度因数的非线性特性尤为明显,必须进行补偿。

综合考虑光纤陀螺标度因数的温度和非线性特性,并参考光纤陀螺VG951的用户手册[6],根据手册中给出的VG951的输入输出模型,选取如下的标度因数误差模型:

其中:S0F,k 2,k4,T1,T2均为待标定的参数,kΩ为与非线性误差相关的参数,kt是与温度有关的参数,t0为温度变量,Ωmax为光纤陀螺正常工作的最大输入角速度。为了便于理解和建模,将上面的模型转化为如下等价的形式

其中:a1(T),a2(T),a 3(T)分别为关于温度T的二阶多项式。

2.2 标度因数误差模型的标定及补偿

采用分立标定[7]的方法确定模型的系数,首先将某一温度值T1固定,变化角速率,分析标度因数与角速率之间的非线性关系,采用最小二乘法拟合出一组与T1有关的系数a1(T1),a2(T1),a 3(T1),并采用同样的方法标定出每一个温度点下的一组温度系数值。然后,拟合系数组a1(T1)...a 1(Tn),a2(T1)...a 2(Tn),a3(T1)...a 3(Tn)与温度T1,T2,…,Tn之间的关系式,得到a1(T),a2(T),a 3(T)的表达式,并代入式(6)中,从而得到标度因数的补偿模型。

以开环光纤陀螺VG951为研究对象。通过对实测数据进行分析与拟合,对标度因数的误差模型进行简化,通过验证,二阶模型完全可以满足要求。研究角速率为20°/s时,温度与标度因数之间的拟合曲线如图2。取x=T/60,y的单位为m V/(°/s)。

通过对图2进行分析,采用二阶模型进行补偿能够满足要求,在每一个温度点下得到一组系数值a1,a2。拟合系数a1,a2与温度T之间的关系式,得到模型系数的表达式:

其中:Tm=60℃,Ωm=80°/s。将上面的关系式代入方程y=a1(T)⋅(Ω/Ωm)2+a2(T),得最终标度因数的补偿模型:

为了验证该模型的补偿效果,将20℃的标度因数测试曲线与补偿曲线进行比较,如图3所示,其中x轴为输入角速度,单位为°/s;y轴对应标度因数,单位为m V/(°/s)。

可以看出,补偿曲线能够很好地吻合原测试曲线,其中低速段相对偏差稍大,高速段的补偿效果更为明显,说明建立的标度因数误差补偿模型是可行的。

3 零偏的温度补偿

环境温度的变化是影响光纤陀螺零偏的重要因素。因此,在细致研究光纤陀螺零偏随温度变化的特性的基础上,建立合适的温度补偿模型,通过补偿消除陀螺启动后零偏随温度的变化趋势,对进一步减小光纤陀螺的漂移[8]是有意义的。

3.1 零偏温度补偿模型分析

光纤陀螺零偏温度补偿模型有多种,包括有多项式模型、线性模型、指数模型及混合模型[9]等等,论文采用多项式模型对光纤陀螺零偏误差进行建模,综合考虑零偏随温度T和时间t的变化特性,建立的多项式模型如下所示:

式中:A(T),B(T),C(T),D(T)均为关于温度T的多项式。第一项代表了零偏的主值部分,第二、三、四项表示陀螺启动后的长期过程与瞬态过程引起的温度变化对零偏的影响,表征零偏围绕主值的波动与变化,主要用于消除趋势项对零偏造成的影响。通过长时间的零偏测试,发现时间对零偏的影响比较小,略去有关时间的误差项,并对模型进行简化,得到如下的零偏温度模型:

式中:a,b,c为待标定的系数项。

3.2 光纤陀螺零偏的温度可重复性研究

研究光纤陀螺零偏的温度重复性是研究光纤陀螺的温度特性,建立零偏随温度变化的模型的基础。为了确定光纤陀螺零偏随温度变化是否具有重复性及其重复性精度,选取两个中精度光纤陀螺VG951进行静态温度试验研究。测试结果如表1所示,VG951为开环光纤陀螺,其输出为电压信号。

在温度为20℃时,光纤陀螺1输出的温度重复性误差为0.085 0(1σ),光纤陀螺2输出的温度重复性误差为0.166 6(1σ)。考虑中等精度陀螺的零偏稳定性,如果减去陀螺零偏漂移的影响,则两个陀螺具有很好的温度重复性,说明这种光纤陀螺的零偏和温度之间确实存在确定的关系,能够建立光纤陀螺零偏与温度之间的误差模型,并根据模型进行温度补偿。

3.3 零偏温度模型的标定及补偿

根据每一个温度点下的零偏测试值,采用最小二乘方法拟合温度与零偏值的关系式,得到如下的零偏温度补偿模型:

为了验证模型的准确性,研究不同温度下零偏的测试曲线与补偿曲线,如图4所示,x=T/60,y的单位为m V。可以看出,该模型能够较好地反映光纤陀螺零偏的温度特性。

采用上述模型,选取20℃下的测试数据进行零偏误差补偿,并将电压信号转换为输入角速度值,补偿前零偏的测试均值为2.831 2°/h,而补偿后零偏的测试均值变为0.008 2°/h,可见,补偿效果较为明显。

4 综合补偿

取光纤陀螺的输出为如下的形式:

其中:SF和B0分别为光纤陀螺的标度因数和零偏值,将光纤陀螺标度因数的温度和非线性补偿模型以及零偏的温度补偿模型代入上式,对光纤陀螺的测试数据进行综合误差补偿,比较光纤陀螺补偿前后的测试精度,以验证模型的效果。

将标度因数和零偏的补偿模型代入综合补偿模型,得到其表达式为

其中:

分别选取20℃及60℃下5°/s,40°/s两个速率点进行综合误差补偿,补偿前(实线)与补偿后(虚线)的测试曲线如图5(a)~(d)所示,其中x的单位为s,y的单位为°/s。

经过分析,综合补偿的精度要高于单独进行标度因数或零偏补偿的精度,采用综合补偿模型能够在很大程度上提高光纤陀螺的测试精度,对上述两个温度的补偿效果进行量化分析,具体结果如下表2所示。

经过综合补偿后,光纤陀螺的测试精度得到了较大程度的改善,测试精度能够提高大约1个数量级,进一步说明建立的补偿模型能够正确反映光纤陀螺的温度误差特性,具有较好的适用性。而且,速度越大,补偿效果越好,这是因为随着速度的增大,光纤陀螺的非线性变差,导致测量值相对于真实值误差增大,因此,相对于低速段的补偿,高速段的补偿对陀螺测试精度的提高就更为明显;不同温度下的补偿效果也不相同,温度越高,补偿效果越明显,因为随着温度的升高光纤陀螺的漂移增大,相对于低温段来说,高温段的补偿效果更为明显。

5 总结

论文在分析温度和输入角速率对光纤陀螺的影响的基础上,通过对光纤陀螺进行温度和速率试验,建立了光纤陀螺标度因数的温度和非线性模型以及零偏的温度模型,并依据模型进行了光纤陀螺的温度和非线性补偿,取得了较为理想的效果,说明建立的模型能够较好地反映光纤陀螺的温度和非线性特性。

摘要：分析了光纤陀螺的温度特性及非线性特性,并在组建光纤陀螺温度试验系统的基础上,进行了全温度范围下的位置试验和角速率试验,研究不同的温度及输入角速率对光纤陀螺输出的影响。根据试验结果,分别建立了光纤陀螺零偏的温度模型以及标度因数的温度和非线性模型,并采用最小二乘法拟合模型的参数。通过实测数据进行仿真验证,结果表明,建立的模型能够较好地描述光纤陀螺的温度及非线性特性,利用该模型进行光纤陀螺的温度和非线性误差补偿,取得了较好的效果,光纤陀螺的测试精度得到了较大程度的提高。

关键词：光纤陀螺,温度试验,温度模型,非线性模型

参考文献

[1]张桂才,王巍.光纤陀螺仪[M].北京:国防工业出版社,2002.ZHANG Gui-cai,WANG Wei.The Fiber-Optic Gyroscope[M].Beijing:National Defense Industry Press,2002.

[2]Sudhakar Divakaruni,Gregg Keith,Chellappan Narayanan.Strategic Interferometric Fiber-Optic Gyroscope for Ballistic Missile Inertial Guidance[C]//AIAA Guidance,Navigation and Control Conference and Exhibit,Honolulu,Hawaii,18-21August,2008:1-8.

[3]SONG You-shan,ZHOU Shi-qin,LU Zheng.Technical Ways to Improve the Temperature Stability of Fiber Optic Gyros[J].Proc.of SPIE(S0277-786X),2001,4540:420-423.

[4]徐烽.嵌入式PC/104主板在惯性导航系统中的应用[J].中国惯性技术学报,2001,9(2):20-23.XU Feng.Apllication of Embedded PC/104in Inertial Navigation System[J].Journal of Chinese Inertial Technology,2001,9(2):20-23.

[5]诸一江,吕锡仁.陀螺仪温度模型建模方法介绍[J].中国惯性技术学报,1995,3(3):32-37.ZHU Yi-jiang,LüXi-ren.A Method to Build Temperature Model of Gyroscope[J].Journal of Chinese Inertial Technology,1995,3(3):32-37

[6]Fizoptika.Fiber Optic Rotation Sensor VG951[EB/OL].[2006-3-10].http://www.fizoptika.ru.

[7]毛奔,林玉荣.惯性器件测试与建模[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007.MAO Ben,LIN Yu-rong.Testing and Modeling of Inertial Device[M].Harbin:Harbin Engineering University Press,2007.

[8]Johann Borenstein,Lauro Ojeda,Surat Kwanmuang.Heuristic Reduction of Gyro Drift for Personnel Tracking Systems[J].Journal of Navigation(S0373-4633),2009,62(1):41-58.

加工中心误差补偿技术方案的研究 篇7

数控加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化机床。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一[1]。它的综合加工能力较强, 工件一次装夹后能完成较多的加工内容, 加工精度较高, 就中等加工难度的批量工件, 其效率是普通设备的5~10倍, 特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工, 对形状较复杂, 精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上, 使其具有多种工艺手段。加工中心设置有刀库, 刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具, 在加工过程中由程序自动选用和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。特别是对于必需采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件。这会为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用, 从而使企业具有较强的竞争能力。

在加工中心上加工零件的特点是:被加工零件经过一次装夹后, 数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具;自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能, 连续地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序, 避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间, 大大提高了加工效率和加工精度, 所以具有良好的经济效益。

机床热变形是瑞士最早发现并给予研究的, 首先测量分析坐标镗床, 进而得知由于机床热变形导致定位精度存在问题, 在此研究的基础上, 机床误差检测技术、建模技术以及补偿技术得到进一步发展。目前, 数控机床补偿技术已经渐渐进入成熟时期, 但是仅仅停留在实验室范围内, 在实际工业生产中并未得到大量应用, 可见, 误差补偿技术还具有很大的发展空间。

2 软件误差补偿现状分析

对计算机误差补偿技术给予研究, 有利于机床效率和加工精度的提高, 这也是软件误差补偿的工作重点。其优点在于不需要对加工设备进行改变, 便可以促进加工精度的提高。软件误差补偿技术首先进行误差参数识别, 接着将其置入模型中, 最后通过计算, 得到相应的补偿量。在各种开放式的系统中, 软件误差补偿技术不具有较强的实用性, 且操作简单方便。软件误差补偿过程如下[2]:1) 辨识实验参数, 获得相应的数据, 基于加工中心测量数据分析软件, 完全数据的分析与处理;2) 依据误差辨识理论, 采用误差辨识软件, 对上述数据给予辨识处理, 进而得出相应的误差参数。采用数据拟合软件对上述已处理的离散点进行数学拟合, 寻找上述数据的规律及发展趋势;3) 采用误差计算软件, 对上述模型给予计算和简化, 获得相应的误差补偿量;4) 通过CAM/CAD集成, 进而生成相应的NC数据, 再使用加工程序补偿软件对上述数据给予修正处理, 最终获得完整的加工补偿程序。软件误差补偿技术主要以修正NC数据为基础, 进而实现误差补偿。

3 几何误差及运动误差补偿现状分析

在机床运行过程中, 机床的制造缺陷是几何误差的主要来源, 包括不精确使用的零部件、不合理的部件装配。几何误差的特点表现为滞后性、随机性和连续性;运动误差主要是指没有按照先前预定的运动学关系导致机床部件之间存在运动误差, 在多轴协调工作时, 运动误差表现的十分明显。比如在滚削、仿行铣操作中, 重点工作应该确保线性运动轴与旋转轴之间的协调。在机床运行时, 运动误差和几何误差之间联系密切, 也是引发机床不精确的最基本因素, 常见的运动和几何误差主要有:轴间垂直度、轴直线度、俯仰偏摆误差、轴位置误差、轴轮廓误差、轴滚转误差等。

几何误差补偿控制系统的组成部分主要有CNC控制器、接口板、微机、传感器等, 在联动系统中, 首先采用激光干涉仪对相关部件的几何误差进行测量, 接着使用HTM, 对机床几何误差模型进行建立, 并在微机中输入上述模型, 使用位置传感器准确获取机床托板运动位置信号, 经过A/D板, 在微机中输入上述位置信号, 最后采用几何误差模型进行计算, 最终获得相应的几何误差值, 并在CNC控制器中输入上述补偿值。然后采用CNC控制器, 对刀具实现控制补偿, 因此, 在实际工作中, 采用科学的、合理的运动和几何误差补偿技术, 有利于机床加工精度的提高。

4 误差补偿技术的在线检测

对数控中心实现在线检测对整个机床的良好运转具有重要作用, 在线检测系统的主要组成部分为测头系统、计算机、数控机床。机床刀库为侧头系统的安装位置, 与普通刀具安装原理相同, 在机床主轴上可以实现自动安装与调出, 程序控制测头可以实现自动化测量, 而且在机床控制系统中可以观察到上述反馈结果。对数控机床实施在线检测和相应的误差补偿, 其原理是充分结合误差补偿、检测和加工, 对整个加工过程实现具有较高精度的自动化检测, 这样可以最大化减少装夹次数, 进而降低误差的发生率, 有助于辅助时间的降低。比如在工作状态、加工精度和废品率降低方面均具有较强的现实意义。近年来, 研究者们对加工中心的在线检测误差补偿技术极为重视。

在线检测系统包含了误差补偿技术, 就强化了系统的数据处理功能、编程功能和储存功能, 可以将加工中心中测得的在线误差在计算机中进行储存, 使在线检测系统具有较高的精度, 进而依据检测结果的实际要求, 实现相应的误差补偿。在在线检测误差补偿系统中, 检测误差数学模型起着基础性作用。不需要对系统硬件条件进行改变, 即检测误差投入小, 便可以实现软件误差补偿, 是加工中心顺利运转的质量保证和关键技术, 进而促进加工精度的有效提高。

5 结束语

综上所述, 现阶段误差补偿技术已经进入了成熟阶段, 但在实际加工中仍然存在各种问题, 因此, 在数控加工中心中, 应综合应用先进、经济、有效的加工手段, 不断提高加工精度, 促进加工中心误差补偿技术的进一步发展, 实现数控机床的良好运转。

参考文献

[1]刘又午, 章青, 赵小松, 等.数控机床全误差模型和误差补偿技术的研究[J].制造技术与机床, 2003, (7) :46-50+74.