数控机床几何误差测量及误差补偿技术的研究

本文研究数控机床几何误差检测及其补偿技术,对数控机床工作空间中的平面(二维)误差场的检测、建模和补偿技术进行了比较系统和深入的探讨,主要包括以下几方面内容: 在论述国内外数控机床几何误差检测及补偿技术的基础上,深入地阐述了机床几何(定位)误差的性质,即起点相对性、指令位置依赖性和误差场的连续性,并利用高精度的HEIDENHAIN 直线光栅和平面光栅,对上述各项性质进行了试验验证。进一步提出一种平面误差场标定方法——接力测量法,并对该方法的测量精度和误差积累规律进行了深入的研究。结果表明,在试验条件下,接力测量法可以满足中、低档数控机床误差场测量的要求。接力测量方法的采用,成倍地扩大了仪器的量程,有效地解决了机床工作空间大与高精度量仪的量程不够的矛盾。 分析了现有球杆仪只能测量径向误差,不能反映转角误差的不足,研发了“二维球杆仪”; 该仪器可以同时测量圆轨迹上一系列指令点上的径向误差和转角误差(可以换算出X 方向和Y 方向的误差值); 对二维球杆仪进行了误差分析和精度校正,对测量结果进行了试验并和平面光栅进行了精度比对。结果表明,该装置X 向重复误差为1.1μm, 在Y 向重复误差为1.6μm,精度比对的均方根差值X 向为0.3μm,Y 向为0.4μm; 具有较高的测量精度,为机床几何误差的测定提供了一种实用的工具。 开发了基于一维步距规的机床误差检测、精度评价和误差补偿系统,并实现了和华中数控系统的融合。使用HEIDENHAIN 直线光栅VM101 测量系统,对单轴反向间隙进行了测量和补偿,补偿后,同一点多次测量误差可控制在2μm 内; 消除了反向间隙对平面误差场测量的影响,简化了误差的测量和误差模型的建立。建立了平面误差场的多项式和人工智能神经网络两种模型,为数控机床几何误差的软件补偿提供了基础。 采用接力的方法,分别使用二维球杆仪和平面光栅,标定了一台数控铣床的平面误差场,用最小二乘法对模型的参数进行了辨识,并对各种测量方法、各种误差模型的精度进行了相互验证和分析比对,二维球杆仪和平面光栅两种多项式误差模型的均方根差在X、Y 向分别为2.3μm 和1.4μm。比对结果表明,所采用的各种测量方法、所建立的各种误差模型具有较好的一致性,它们的精度能满足中、低档数控机床误差