1、疏 达2010年10月Precision and ultraprecision machining一、保证零件加工精度的途径一、保证零件加工精度的途径 保证零件加工精度的途径：保证零件加工精度的途径：1 1）“蜕化蜕化”原原则，或称则，或称“母性母性”原则。原则。2 2）“进化进化”原则，原则，或称或称“创造性创造性”原则。原则。提高加工精度的途径：提高加工精度的途径：1 1）隔离和消除误差；）隔离和消除误差；2 2）误差补偿，用相应的措施去）误差补偿，用相应的措施去“钝化钝化“、抵、抵消、均化误差，使误差减小。消、均化误差，使误差减小。二、加工精度的检测二、加工精度的检测1.1.离线检测离线
2、检测 工件加工完毕后，从机床上取下，在机床工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检测室中进行检测。旁或在检测室中进行检测。2.2.在位检测在位检测 工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进行检测。情况下进行检测。3.3.在线检测在线检测 工件在加工过程中的同时进行检测，又称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。主动检测、动态检测。在线检测特点在线检测特点1 1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过）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；程中误差分布和发展；2 2）检测结果能反映实际加工情况；）检测结果能
3、反映实际加工情况；3 3）在线检测的难度较大；）在线检测的难度较大；4 4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；要求较高；5 5）一般是自动运行，形成在线检测系统。）一般是自动运行，形成在线检测系统。在线检测类型在线检测类型1 1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿2 2）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补）间接检测系统：检测产生加工误差的误差源，并补偿偿三、误差补偿技术三、误差补偿技术1.1.误差补偿的概念误差补偿的概念 在机械加工中出现的误差采用在机械加工中出现的误
4、差采用修正、抵消、修正、抵消、均化、均化、“钝化钝化”等措施使误差减小或消除等措施使误差减小或消除误差补偿。误差补偿。从狭义的角度分析：从狭义的角度分析：误差修正误差修正（校正）是指（校正）是指对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校对测量、计算、预测所得的误差进行修正（校正正)；误差分离误差分离是指从综合测量所得的误差中分是指从综合测量所得的误差中分离出所需的单项误差；离出所需的单项误差；误差抵消误差抵消是指两个或更是指两个或更多个误差的相互抵消；多个误差的相互抵消；误差补偿误差补偿是对一尺寸、是对一尺寸、形状、位置差值的补足。形状、位置差值的补足。2.2.误差补偿的类型误差补偿的类型（1
5、1）实时与非实时误差补偿）实时与非实时误差补偿 实时误差补偿实时误差补偿加工过程中，实时进行误差加工过程中，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。非实时误差系统误差，且可以补偿随机误差。非实时误差补偿补偿只能补偿系统误差。只能补偿系统误差。（2 2）软件与硬件误差补偿）软件与硬件误差补偿 软件补偿软件补偿通过计算机对所建立的数学模型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完成误差补偿动作。软件与硬件补偿的
6、区分是看补偿信息是由软件还是硬件产生的。看补偿信息是由软件还是硬件产生的。2.2.误差补偿的类型误差补偿的类型（3 3）单项与综合误差补偿）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。误差补偿要复杂，但效率高、效果好。（4 4）单维与多维误差补偿）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，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。的误差补偿技术。3.3.误差补偿过程误差补偿过程 过程：过程：1 1）反复
7、检测出现的误差并分析，找）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，出规律，找出影响误差的主要因素，确定误差确定误差项目项目。2 2）进行误差信号的处理，去除干扰信）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，号，分离不需要的误差信号，找出工件加工误找出工件加工误差与在补偿点的补偿量之间的关系，建立相应差与在补偿点的补偿量之间的关系，建立相应的数学模型。的数学模型。3 3）选择或设计合适的误差补偿）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构控制系统和执行机构，以便在补偿点实现补偿，以便在补偿点实现补偿运动。运动。4 4）验证误差补偿的效果，进行必要的）验证误差补偿
8、的效果，进行必要的调试，保证达到预期要求。调试，保证达到预期要求。1 1）误差信号的检测）误差信号的检测2 2）误差信号的处理）误差信号的处理3 3）误差信号的建模）误差信号的建模4 4）补偿控制）补偿控制5 5）补偿执行机构）补偿执行机构12345计算机控制系统计算机控制系统误差补偿系统组成示意图误差补偿系统组成示意图1 1误差信号检测误差信号检测 2 2误差信号处理误差信号处理 3 3误差信号建模误差信号建模 4 4补偿控制补偿控制 5 5补偿执行机构补偿执行机构4.4.误差补偿系统的组成误差补偿系统的组成5.5.误差补偿技术的发展误差补偿技术的发展1 1）预报型补偿）预报型补偿 Fore
9、Forecasting Compensatory Controlcasting Compensatory ControlFCCFCC技术，利用在线随机建模理论、先进的传技术，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。进行建模和预报，对动态误差进行实时补偿。2 2）综合型补偿）综合型补偿 对工件尺寸、形状和位置误差同时进行综合对工件尺寸、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。中的多项误差进行综合补
10、偿。一、形状位置误差的在线检测一、形状位置误差的在线检测1.1.外圆、孔类形状位置误差的测量方法外圆、孔类形状位置误差的测量方法三点法三点法 建立如图所示的直角坐标系。建立如图所示的直角坐标系。O O1 1点的极坐标为点的极坐标为x()x()和和y()y()。s()s()为被测工件的轮廓形状误为被测工件的轮廓形状误差。测微仪差。测微仪A A、B B、C C的输出信号的输出信号分别为分别为A()A()、B()B()、C()C()，则则)()()(xSA 211sin)(cos)()()(yxSB )sin()()cos()()()(212121 yxSC 消去消去x()x()和和y()y()得三
11、点法误差分离基本方得三点法误差分离基本方程为程为)()()()()()()(2131232 SCSCSCCBCAP2212sin/)sin(C213sin/cos C传传感感器器组组合合信信号号 )(P测量时，若取采样点数为测量时，若取采样点数为N N，则令，则令Nk/2 Nm/211 Nm/222 并将并将)()()()(21312 SCSCSP离散化离散化)()()()(21312mmkSCmkSCkSkP 最后求得任意时刻机床主轴回转运动误差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
12、轴回转完整一周后，才能求得回转误差只有在主轴回转完整一周后，才能求得回转误差转位法转位法 采用圆光栅测量角度采用圆光栅测量角度位置，用测微仪（测头位置，用测微仪（测头传感器）测量工件形状传感器）测量工件形状误差和回转轴系运动误误差和回转轴系运动误差，起点电路提供一个差，起点电路提供一个作为角度位置的起始点作为角度位置的起始点信号。信号。转位法转位法反转法反转法测量时只作一次转位，共测得两组数据测量时只作一次转位，共测得两组数据)()()(11iiiSMV )()()(22iiiSMV 轴轴系系运运动动误误差差分分别别为为两两次次测测得得的的回回转转、所所测测得得的的两两组组信信号号分分别别为为
13、测测头头传传感感器器两两次次、)()()()(2121iiiiMMVV 中中工工件件形形状状误误差差部部分分测测头头传传感感器器所所测测得得信信号号 )(iS 采采样样点点序序号号 i采采样样点点角角度度位位置置 i 式中式中若整个检测装置的检测重复性好，则若整个检测装置的检测重复性好，则)()()(21iiiMMM 可得可得 2/)()()(2/)()()(2121iiiiiiVVMVVS 闭合等角转位法闭合等角转位法每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转每次转位时，测头不动，工件相对于轴系转 角，共角，共测测m m个位置，个位置，可得，可得m m组数据组数据0360 m)/360()()(
14、0miSMVii 运运动动误误差差；所所测测得得的的一一组组回回转转轴轴系系测测头头传传感感器器在在某某个个位位置置所所测测得得的的一一组组数数据据；测测头头传传感感器器在在某某个个位位置置 )()(iiMV件形状误差部分；件形状误差部分；所测得的一组信号中工所测得的一组信号中工测头传感器在某个位置测头传感器在某个位置 )/360(0miS m1 测测量量位位置置序序号号，ii mVMi/)()(当当m m很大时，很大时，的平均值忽略不计，可得回转轴系平的平均值忽略不计，可得回转轴系平均运动误差均运动误差)(iS对称转位法对称转位法在在0 0度位置测完后，测头不动，工件相对于轴系各作度位置测完
15、后，测头不动，工件相对于轴系各作一次一次 、转位角，取转位角等于采样间隔角转位角，取转位角等于采样间隔角 ，共得共得3 3组数据组数据 )()()(0iiiSMV ；采采样样序序号号，n1 ii位位置置所所测测得得的的信信号号；、测测头头传传感感器器分分别别在在、01200)()()(iiiVVV轴轴系系运运动动误误差差；测测头头传传感感器器所所测测得得回回转转 )(iM 中中工工件件形形状状误误差差部部分分。测测头头传传感感器器所所测测得得信信号号 )(iS(1)(2)(3)()()()()(12 iiiiiSMSMV )()()()()(11 iiiiiSMSMV 由式（由式（1 1）、（
16、）、（3 3）可得）可得由式（由式（1 1）、（）、（2 2）可得）可得)()()()()(111011iiiiiiMMMVV )()()()()(121210iiiiiiMMMVV 取平均值取平均值 2/)()()(12111iiiiiiMMM 一般式一般式2/)(/)()(1121111 niiiiiniiinMnMM 由式（由式（4 4）、（）、（5 5）可得）可得（4）（5）2/)()()()()(2110101iiiiiiVVVVM 2.2.平面类形状位置误差的测量方法平面类形状位置误差的测量方法反转法反转法测量分两次进行，在第二次测量时，工件转过测量分两次进行，在第二次测量时，工件
17、转过180180度，度，得到两组数据得到两组数据)()()(11iiixSxMxV )()()(22iiixSxMxV 方向直线位置。方向直线位置。采样点采样点采样点序号；采样点序号；形状误差部分；形状误差部分；测头所测得信号中工件测头所测得信号中工件直线运动误差；直线运动误差；分别为两次测得的机床分别为两次测得的机床、的两组信号；的两组信号；分别为测头两次所测得分别为测头两次所测得、xxixSxMxMxVxViiiiii )()()()()(2121式中式中若检测装置重复性好，可认为若检测装置重复性好，可认为)()()(21iiixMxMxM 可得可得 2/)()()(2/)()()(212
18、1iiiiiixVxVxMxVxVxS 平移法平移法测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移一个步测量分两次进行，在第二次测量时，工件平移一个步距距S S，得到两组数据，得到两组数据)()()()()()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV若机床和检测装置重复性好，可认为若机床和检测装置重复性好，可认为)()()(21iiixMxMxM 可得可得)()()()(211iiiixVxVxSxS 两点法两点法取步距取步距S S为两测头的间距进行测量，若将机床直线运动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部件的角运动误差 忽略不计，则得到忽略不计，则得到)()()()()
19、()(121 iiiiiixSxMxVxSxMxV)(ix 三点法三点法用间距为步距用间距为步距S S的三个测头进行测量，则考虑机床直线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运动部件角运动误差 ，得到，得到3 3组方程组方程)(ix 三点法三点法 将式（将式（1 1）与式（）与式（3 3）相加后减去）相加后减去2 2倍的式（倍的式（2 2）得）得)(2)()()(2)()(11iiiiiixSxSxSxBxCxA )()()()(1iiiixxSxMxA )()()(iiixSxMxB )()()()(1iiiixxSxMxC （1 1）（2 2）（3 3）二、在线检测与误差补偿
20、系统应用二、在线检测与误差补偿系统应用1.1.车削工件圆度和圆柱度的误差补偿车削工件圆度和圆柱度的误差补偿工件圆度误差工件圆度误差平均减小平均减小4040，工件圆柱度误工件圆柱度误差平均减小差平均减小23232.2.磨削工件圆度的误差补偿磨削工件圆度的误差补偿工件圆度工件圆度误差由误差由0.74m0.74m减少到减少到0.375 0.375 m。3.3.镗削工件内孔圆柱度的误差补偿镗削工件内孔圆柱度的误差补偿补偿后的内补偿后的内孔圆柱度误孔圆柱度误差减少了差减少了565664644.4.立铣工件直线度的误差补偿立铣工件直线度的误差补偿该系统直线该系统直线度误差减少度误差减少了了8080。5.5
21、.数控立铣工件平面度的误差补偿数控立铣工件平面度的误差补偿平面度误平面度误差减少了差减少了80806.6.精密丝杠螺距的误差补偿精密丝杠螺距的误差补偿主轴主轴溜板溜板压电陶瓷压电陶瓷单个螺距单个螺距误差可减误差可减少少8989一、微位移系统及应用一、微位移系统及应用 微位移系统由微位移系统由微位移机构、检测装置和控制系微位移机构、检测装置和控制系统统组成，为了实现小行程、高灵敏度和高精度的组成，为了实现小行程、高灵敏度和高精度的位移。位移。微位移机构微位移机构是实现微位移的执行机构，其核心是实现微位移的执行机构，其核心部分是微位移器件；部分是微位移器件；检测装置检测装置是用来测量微位移是用来测
22、量微位移的移动量及其精度，在闭环系统中作为反馈信号；的移动量及其精度，在闭环系统中作为反馈信号；控制系统控制系统用来控制整个系统的工作，通过控制策用来控制整个系统的工作，通过控制策略实现需求的技术性能指标。略实现需求的技术性能指标。1 1）微进给）微进给 2 2）误差补偿）误差补偿 3 3）精密调整）精密调整二、微位移机构的类型二、微位移机构的类型三、典型微位移工作台三、典型微位移工作台1.1.平行弹性导轨微位移工作台平行弹性导轨微位移工作台 若步进电动机的输入位移为若步进电动机的输入位移为 ，微动工作台的，微动工作台的输出位移为输出位移为 ，两个弹簧的刚度分别为，两个弹簧的刚度分别为 ，则则
23、1x2xAkBkBABkkkxx 122.2.电磁控制微位移工作台电磁控制微位移工作台3.3.磁致伸缩微位移工作台磁致伸缩微位移工作台 放置于磁场中的材料发生尺寸和形状变放置于磁场中的材料发生尺寸和形状变化的现象化的现象磁致伸缩效应。磁致伸缩效应。磁致伸缩机构是利用铁磁材料在磁场的磁致伸缩机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移的，作用下产生微伸长运动来实现微位移的，改变磁场强度可控制伸长率，但铁磁材料改变磁场强度可控制伸长率，但铁磁材料在磁场的作用下，除了产生磁致伸缩外，在磁场的作用下，除了产生磁致伸缩外，还伴有发热伸长。还伴有发热伸长。4.4.电致伸缩微位移工作台电致伸缩
24、微位移工作台 电介质在外电场的作用下，由于感应极化电介质在外电场的作用下，由于感应极化的作用而产生应变，其应变大小与电场强度的作用而产生应变，其应变大小与电场强度的平方成正比，其应变方向与电场方向无的平方成正比，其应变方向与电场方向无关关电致伸缩效应。电致伸缩效应。电致伸缩材料：铌镁酸铅系列（电致伸缩材料：铌镁酸铅系列（PMNPMN）、）、弛豫铁电体、双弛豫铁电体、弛豫铁电体、双弛豫铁电体、PZTPZT铁电陶瓷系铁电陶瓷系列等。列等。电致伸缩器件具有结构紧凑、体积小、分电致伸缩器件具有结构紧凑、体积小、分辨率高、无发热现象、控制简单等特点。辨率高、无发热现象、控制简单等特点。5.5.压电效应微
25、位移工作台压电效应微位移工作台 电介质受到机械应力作用时，会产生电极电介质受到机械应力作用时，会产生电极化，电极化的大小与施加的机械应力成正比，化，电极化的大小与施加的机械应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变电极化的方向随应力的方向而改变正压电正压电效应。效应。电介质在外电场的作用下，将产生应变，电介质在外电场的作用下，将产生应变，应变大小与电场大小成正比，应变方向与电应变大小与电场大小成正比，应变方向与电场方向有关，当电场的方向改变时，应变的场方向有关，当电场的方向改变时，应变的方向也随着改变方向也随着改变逆压电效应。逆压电效应。压电材料：铁电晶体和压电晶体两类。常压电材料：铁电晶体和
26、压电晶体两类。常用的压电晶体有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅用的压电晶体有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷（系压电陶瓷（PZTPZT）。）。尺蠖式压电陶瓷电机尺蠖式压电陶瓷电机a)a)原始非工作状态原始非工作状态b)b)器件器件A A加电压后缩小夹紧电动加电压后缩小夹紧电动机轴机轴c)c)器件器件C C加电压后轴向伸长推动加电压后轴向伸长推动器件器件A A并使电动机轴向某一轴向并使电动机轴向某一轴向方向作步进运动；方向作步进运动；d)d)器件器件B B加电压后直径缩小夹紧加电压后直径缩小夹紧电动机轴；电动机轴；e)e)器件器件A A不加电压后恢复原状松不加电压后恢复原状松开电动机轴；开电动机轴；f)f)器件器件C C不加电后、轴向收缩恢不加电后、轴向收缩恢复原状复原状三坐标压电微位移工作台三坐标压电微位移工作台 设设3 3个管状压电器件的变形量分别为个管状压电器件的变形量分别为 、，则，则x x方向的微位移为方向的微位移为 ，y y方向的微位方向的微位移为移为 ，绕，绕z z轴的转动轴的转动 。x 1y 2y x 221yyy Lyyc21 习题6-2习题6-15课后思考题
