美国API公司：XD Laser SELFCOMP Solution for与Siemens Sinumerik 840D 英国Renishaw公司：RVC-Siemens 和 RVC-Fanuc
VEC（Volumetric Compensation System）
美国国家制造科学中心，VALMT联合行动（API、Boeing、Siemens、Mag Cincinnati） 第 4页
重型数控机床误差补偿技术的研究与应用
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提 纲
一、课题的研究背景
二、现有数控系统误差补偿功能 三、重型数控机床误差补偿的主要难点 四、本课题的主要研究内容
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1 研究背景
滑枕热变形严重——进给 方向 导轨静压油温升明显造成 热变形
开式结构、较大运 动空间造成几何误 差明显
立柱热倾斜误差明显
检测与验证大惯量移动部件伺服驱动动态误差；
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
UG三维模型 ADAMS机构模型
仿真分析模型及结果
修改模型参数
Simulink建立控制子 系统
构建基于ADAMS、Simulink的数控机床联合动力学仿真模 型
输入仿真系统的参数 并仿真
系统建模与仿真总体结构流程图
4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
滑枕下垂变形有限元分 析
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4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
研制了主轴组件变形误差自动补偿装 置 液压补偿：
拉紧缸
钢丝绳 静压油膜控器数字电液比例溢流阀滑枕行程(mm) 补偿后最大值0.02mm 补偿前最大值0.25mm 滑枕倾斜量(mm)
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4 本课题的主要研究内容
大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术 典型机床结构热变形误差建模与预测技术技术 重载负荷变形误差建模与补偿技术
动态综合误差补偿系统集成技术
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4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
重型数控机床主要误差源及其影响因素
定位误差 X向直线度误差 Z向直线度误差
冷机
7小时后
0.02mm 0.25mm 0.02mm 0.41mm 0.03mm 0.25mm
y 轴 x 向 直 线 度 误 差
y 轴 z 向 直 线 度 误 差
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时； 机床型号：TH6920
垂度补偿/交叉轴补偿
坐标轴间的补偿，每对基础轴和补偿轴一个补偿文件，可用于双向螺补
跟随误差补偿
速度前馈，转矩前馈，在三环优化的基础上，通过修改相应机床参数来实现
摩擦/过象限补偿
静摩擦大于动摩擦，坐标轴过象限尖角，给速度环输入附加脉冲，手动/神经网络调整方法
Siemens VCS（Volumetric Compensation System）/ Fanuc 3D Compensation
测量各温度传感器的温度变化曲线
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时； 机床型号：TH6920
X 轴 定 位 误 差
X轴
定位误差 Y向直线度误差 Z向直线度误差
冷机
0.25mm 0.02mm 0.06mm
149厂应用效 果
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4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
149厂应用效果
经过误差补偿技术的应用，使得上海航天设备制造总厂购买的落 地铣镗床的精度得到恢复和提高，能够加工神州系列的关键零件。
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
建立动力学模型与动态跟踪误差模型；
3 重型数控机床误差补偿的主要难点
1 机床大尺寸空间内几何误差的检测问题 结构尺寸大、行程大 载荷重 运动环节多 大范围小误差 检测 误差产生因素多 2 机床大尺寸空间内几何误差的建模问题 预测精度 计算效率 3 重型数控机床热误差的检测与建模问题 滑枕定位误差明显； 检测-辨识-分离-建模 4 重型数控机床移动部件质量大 载荷变形 伺服误差 5 重型数控机床误差补偿实现策略问题 国外系统相对封闭 补偿模块如何集成到CNC系统
补偿后 反向 正向
0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12 -0.14 -0.16 -0.18 -0.20 -0.22 -0.24 -0.26 -4400 -4000 -3600 -3200 -2800 -2400 -2000 -1600 -1200 -800 -400 0
调整后 0.0760mm 0.0460mm 0.0710mm
149厂实验结果
X Y
W 1.1970mm
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
建模流程
①提高新机床精度
②提升老机床精度
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
温度传感器的布 置
第20页
4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
振动误差
其它误差...
轮廓误差
重载变形误差
·机床重载负荷变形 ·重心变化
4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
多体系统理论
几何误差模型
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4.1 大尺寸空间几何误差高效测量与辨识技术
几何误差检测与辨识实验
z
“9线法”辨识的测量数 据
5
2
7
8
9
O(0, 0, 0)
4
3
1
y
九线法的测量 原理示意图
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2. 现有数控系统误差补偿功能
反向间隙补偿
坐标轴/主轴换向误差，西门子840D中MD32450
螺距误差补偿
滚珠丝杠制造工艺不理想，线性补偿，数据文件，按轴补偿，各轴互不影响，无方向性
温度补偿
补偿温度变化导致的机械变形，两次线性假设，MD32750，SD43900，SD43910，SD43920
W 轴 定 位 误 差
W轴
定位误差
冷机 0.05mm
7小时后 0.28mm
X向直线度误差
Y向直线度误差
0.01mm
0.02mm
0.32mm
0.11mm
W 轴 Y 向 直 线 度 误 差
W 轴 X 向 直 线 度 误 差
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热关键点优化选 择
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dX (mm)
dW (mm)
0.00 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20 -0.25 -0.30 -4400 -4000 -3600 -3200 -2800 -2400 -2000 -1600 -1200 -800 -400 0
0 h. 0.9 h. 1.8 h. 2.5 h. 3.4 h. 4.2 h. 5.0 h. 5.9 h.
基本程序
ISA总线 PCI总线
VDI译码 外部通讯 NC功能
工件加 工程序
CNC控制器 输入 输出
机床 温度传感器
PC机
840D数控系统 PLC NCK
激光测量
COM接口 USB接口
P总线 K总线 PC 适配器 MPI OPI COM模块
操作系统 MCP
（PC与PLC及NCK通信的连接方式）
2、关键点温度的采集
7小时后
0.55mm 0.11mm 0.3mm
X 轴 y 向 直 线 度 误 差
X 轴 z 向 直 线 度 误 差
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4.3 典型机床结构热变形误差建模与预测技术
热误差的测量
测量条件：650rpm； 1000mm/min 6~7.5小时/1小时； 机床型号：TH6920
y 轴 定 位 误 差
Y轴
补偿前 反向 正向
0 h. 0.9 h. 1.8 h. 2.5 h. 3.4 h. 4.2 h. 5.0 h. 5.9 h.
补偿后 反向 正向
0.0 h. 0.2 h. 0.8 h. 1.5 h. 2.2 h. 3.0 h. 3.5 h. 4.2 h.
0.0 h. 0.2 h. 0.8 h. 1.5 h. 2.2 h. 3.0 h. 3.5 h. 4.2 h.
实验验证
N
结果满意？ Y 输出结果
ADAMS模型
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
仿真与实验结果对比
直线插 补
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
仿真与实验结果对比
圆弧插补
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4.2 大惯量运动部件伺服驱动误差预测与补偿技术
跟随 误差
调整前 1.2030mm 1.1970mm
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4.5 动态综合误差补偿系统集成技术
方案一：手轮干预功能进行补偿（针对现有重型机床）
1、机床坐标位置的实时获取
DB用户接口 DB内部接口 用户程序
CP通讯处理卡 5411/5511/5611
DRF接口 坐标位置 补偿脉冲 综合补 偿系统 输出 光耦、差 分电路 误差综合 数学模型 几何误差、热误 差元素计算 输入 温度 A/D采集板 几何误差 热误差 误差辨识 误差元素数据库
数字点位非线性补偿系统
滑枕倾斜补偿前后曲线图
4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
立柱前倾补偿原理
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4.4 重载负荷变形误差建模与补偿技术
应用于大连一重定制的TKC-1