| 单词 | 计算机辅助实时补偿控制加工误差 |
| 释义 | 【计算机辅助实时补偿控制加工误差】 拼译：computer aided real-time compentory control of machining errots 机械零件的加工精度要求高时，采用误差预防(即提高工艺系统的设计精度、改变系统的结构配置)方法的费用呈指数增长。而计算机实时补偿控制加工误差是一种实际有效的方法，它能使加工出的零件精度高于其加工用的工艺系统所能保证的精度。传感技术、计算机软硬件技术、系统辨识技术、伺服驱动技术的发展，其成果被综合应用于机械制造过程，使加工误差的控制具有柔性化、智能化、多学科集成化的特点，既促进了各单个学科的学术水平的提高，又使机械制造产生显著的社会经济效益。误差补偿的思路符合人类认识、改造客观世界的规律，有着广阔的发展前景。 1865年，用凸轮尺、差动螺母等机械装置补偿丝杠驱动工作台定位误差的方法问世，由于采用纯机械方法实现误差补偿，故称为硬件补偿。硬件补偿在提高丝杠母机、齿轮、蜗轮母机的传动系统精度方面起过重要作用，硬件补偿机构往往内装于被补偿的机床中，构成机床传动链的一部分。如中国的高精度分度蜗轮的制造精度达到国际水平，重要措施之一是采用了硬件补偿技术。日本东芝公司应用误差的硬件补偿等技术措施，使分度蜗轮的精度达到0．1角秒以上。硬件补偿的可靠性高，但补偿规律一经硬件化就很难改变。因此，对于起主导作用的、具有较好重复性的误差，仍可继续采用硬件补偿。但从总的发展趋势看，硬件补偿将被软件补偿取代。软件补偿的误差值贮存在计算机内存中。由于计算机编程的柔性，软件补偿能满足不同的要求。根据被补偿的机床的复杂程度，它所处的环境条件，所要求补偿的类型、水平以及投资的规模，软件补偿的方案也是不相同的。根据实践经验表明，将误差减少到10%是较容易的，减少到1%通过努力是可以达到的，减少到0．1%则要求大量和昂贵的投入。一个误差补偿系统必须具备3个主要的功能装置。即：(1)误差信号发生装置，它产生出被补偿对象固有误差的误差图，作为补偿系统中附加输入的依据；(2)信号同步装置，它保证所附加的误差输入与系统的固有误差同步，即在任一时刻，这两个误差理论上要数值相等且相位相差180°。(3)运动合成装置，它实现附加误差运动与系统固有误差运动合成，而输出的误差是两个误差合成的结果。根据软件补偿的策略不同，可分为定点补偿、反馈补偿和预报补偿方案。美国吴贤铭(S．M．Wu)所领导的科研组，于1980年提出了用时间序列预报理论对外圆磨削工件的圆度误差进行计算机预报补偿控制，采用自回归模型AR(n)来描述圆度误差，并应用压电晶体作为误差补偿的执行机构以提高系统的动态性能，当工件转速低时，这种补偿方案减少误差到10%左右。美国3L(Lawrence Livermore Laboratory)研究所于1980年应用计算机预报补偿控制对大型数控机床的热变形误差进行补偿，足够多的传感器布置在机床的合适部位，高速计算机用来处理温度场信息并预报出热变形，由数控机床的数控系统来补偿其热变形量。为了保证热环境的稳定性，整台机床浸泡在油液中。在超精密加工中，需要使用在线误差补偿来达到高精度，例如高精度空气轴承的径向跳动约在50nm左右，工作台的直线运动误差也在数十纳米，要实现更高精度就有一定困难，但用误差补偿可以到10nm以下。日本大塚二郎等研究丝杠磨削误差补偿持续20多年，1981年开始试验采用计算机补偿控制系统，圆基准元件采用光栅盘，长度基准先后采用光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪、控制策略采用带修正量的反馈控制方式，试验加工出的丝杠周期误差为1．3～1．5μm，累积误差为3．5μm左右。中国于1980年研究成功的运动误差实时在线闭环反馈补偿系统用于补偿丝杠磨床的主传动链误差，圆光栅作为圆基准元件，激光干涉仪作为长度基准元件，控制系统采用集成电路，步进电机作为执行元件，补偿后的传动链运动误差为1μm。自1983年以来，在计算机预报补偿控制传动链运动误差方面，主要针对齿轮加工母机、丝杠磨削母机、滚刀铲磨机床的主传动链做了研究工作。为了解决加工精度高要求与计算机控制的实时性之间的矛盾，开发了以时钟细分原理为基础的多功能数字比相计，计数加比相误差测量法，离散勒让德多项式序列预报控制算法，时间序列预报控制算法，线性外推预报控制算法。这些研究成果在生产现场应用后，可将传动链的运动误差降低到0．5μm左右，磨出的丝杠1m4级精度的成功率达到80%以上。采用计算机补偿控制方法来提高机床导轨的平面度、工件圆度、圆柱度，在误差测量、误差分离、补偿执行元件等方面，也取得明显效果，工件圆柱度误差可以从49．4μm降低到17．8μm，误差减少了64%。在工件圆度误差补偿、静压轴承心位移的计算机补偿控制等方面，也都取得了具有实用化的成果。随着计算机数控(CNC)机床的广泛应用，需要研究将数控与误差补偿相结合的问题。如CNC滚齿机、CNC丝杠磨床中的传动链误差补偿，CNC车床中的工件尺寸的补偿，加工中心机床的镗孔尺寸误差的自动检测与补偿等都已在国内外取得了实用化成果。计算机辅助实时补偿控制加工误差是一项多学科综合研究课题。加工精度的要求不断提高，对误差补偿水平的要求也愈来愈高，许多领域需要深入探讨。为了揭示加工误差的规律，必须进一步开展新型传感原理与传感器件的研究，不仅要能找出系统的几何误差，而且要能揭示出加工过程的误差。必须进一步开展误差分离技术研究，不仅从误差频率、幅值等方面分离，而且要从误差的作用相位方面分离。在计算机控制算法方面，除了采用高性能的计算机硬件提高运算速度外，还要探讨实时性好的控制算法，或研究多CPU并行工作的分布式补偿控制系统，以圆满解决计算机控制的实时性与高加工精度要求之间的矛盾。在误差合成机构方面，要研究动态响应特性好的误差补偿机构，特别在超精密加工中，这一点往往是决定补偿成败的关键。在将误差补偿与CNC系统相结合的方面，要求解决CNC功能与误差补偿功能在时间上的竞争问题。高频误差(如齿轮、丝杠传动中的短周期误差)的补偿、空间误差(如多坐标联动CNC系统的误差)的补偿、加工过程的工艺误差补偿、部分随机误差的补偿都将是近期研究的热点，预期在上述研究领域将取得突破性进展。【参考文献】：1 Robert J，Hocken，et al．Machine Tool Accuracy．Lawrence Livermore Laboratory．1980，10∶61～712 Liao M J，et al．Annals of the CIRP．1980，29(1)∶3093 Rao S．B．，et al．Trans．ASME，B．1982，104(1)∶23～28．4 Hongzan Bin，et al．Proceedings of 24th MTDR Conference．1983，3475 大塚二郎はガ．精密ゐじ研削の研究(し一ザ测長システムを用～忆場合)．精密工学会誌．1987，53(5)∶7316 陈卓宁，宾鸿赞．机械工程学报，1990，26(6)∶41～517 李国松，等．中国机械工程学会生产工程专业学会第六届学术大会论文集，北京：机械工业出版社，1991．197～200(华中理工大学博士生导师宾鸿赞教授撰) |
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