誤差補償儀器設(shè)計中的誤差補償

誤差補償技術(shù)是貫穿于每一設(shè)計細節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對儀器儀表進行誤差補償主要是從兩方面來考慮的：

(1) 待測對象隨環(huán)境因素變化而變化，在不同測量條件下，待測量會有較大變化，因而影響測量結(jié)果；

(2) 儀器自身的結(jié)構(gòu)或者元件也會隨環(huán)境條件變化而略有變形或表現(xiàn)出不同品質(zhì)。

一般而言，對于第一種情況可采用相對測量方法或建立恒定測量條件的方法予以解決，而對于第二種情況應在設(shè)計階段就仔細考慮儀器各組成零件隨溫度變化的情況，進行反復選材，斟酌每一個細小結(jié)構(gòu)。

精密測量中的誤差補償技術(shù)主要有三種形式：誤差分離技術(shù)、誤差修正技術(shù)和誤差抑制技術(shù)。

誤差補償誤差分離技術(shù)

誤差分離技術(shù)的核心是將有用信號與誤差信號進行分離，它有兩種方式：基于信號源變換和基于模型參數(shù)估計的誤差信號分離。基于信號源變換的誤差分離技術(shù)要建立誤差信號與有用信號的確定函數(shù)關(guān)系，然后再經(jīng)相應信號處理，進而達到將有用信號與誤差信號分離的目的?；谀Ｐ蛥?shù)估計的誤差分離技術(shù)是在確切掌握了誤差作用規(guī)律并建立了相應數(shù)學模型后，對模型進行求解或估計。

誤差補償誤差修正技術(shù)

誤差修正技術(shù)可分為基于修正量預先獲取型和基于實時測量型誤差修正技術(shù)，其核心是通過某種方式獲取誤差修正量，再從測量數(shù)據(jù)中消除誤差分量。

誤差補償誤差抑制技術(shù)

誤差抑制技術(shù)是在掌握誤差作用規(guī)律的情況下在測量系統(tǒng)中預先加入隨誤差源變量變化而自動調(diào)控輸入輸出，從而達到使誤差抵消或消除的目的。一般可分為直接抑制型和反饋抑制型。

圖1列出了各種誤差補償技術(shù)的特點。

誤差補償誤差分離技術(shù)

主要應用于圓度、圓柱度、導軌平行度及軸的回轉(zhuǎn)誤差等誤差信號測量中，多采用轉(zhuǎn)位法即將測頭(或待測對象)放置在不同位置同時或分序?qū)ν淮郎y量進行反復測量，利用確定的位置關(guān)系和相同(或已知)的測量條件，根據(jù)多次的測量結(jié)果按照已經(jīng)建立的誤差模型求解誤差信號對測量結(jié)果影響值進而達到將誤差信號進行分離的目的。

該方法可以較好地解決傳感器的漂移問題，當轉(zhuǎn)位數(shù)很大時有較好的誤差抑制作用。其缺點是需要進行多次(或多位)測量，當誤差信號種類較多或不確定時難于建立準確的誤差信號變換模型，一般也不適合動態(tài)誤差補償。

誤差補償誤差修正技術(shù)

主要應用于環(huán)境參數(shù)如溫度等對測量結(jié)果的影響以及傳感器非線性等情況下的誤差補償。一般利用已知的誤差量經(jīng)簡單換算或通過建立簡單的誤差參數(shù)模型直接對測量結(jié)果進行補償。

該方法簡單實用，適合于誤差影響量已知或能通過測量誤差參數(shù)簡單計算得到的情況，能較好滿足當前測控儀器朝計算機技術(shù)控制方向發(fā)展需要。缺點是必須事先測定誤差參數(shù)或能夠得到其影響量，且能夠補償?shù)恼`差參數(shù)較為單一。

誤差補償誤差抑制技術(shù)

主要應用于零位誤差補償，如工作臺的零位誤差、傳感器的零位漂移或閑區(qū)誤差處理。典型應用有激光測長機的閑區(qū)誤差消除、定位工作臺的機械漂移的抑制等。其核心技術(shù)主要是在分析或已獲得的誤差模型的基礎(chǔ)上采用合理的機構(gòu)或者電路設(shè)計使誤差抵消或消除，而不必一定要獲取誤差量或誤差修正量。

在機械加工中的誤差補償指：對出現(xiàn)的誤差采用修正、抵消、均化、 “鈍化”等措施使誤差減小或消除。其誤差補償過程為：

(1) 反復檢測出現(xiàn)的誤差并分析，找出規(guī)律，找出影響誤差的主要因素，確定誤差項目。

(2) 進行誤差信號的處理，去除干擾信號，分離不需要的誤差信號，找出工件加工誤差與在補償點的補償量之間的關(guān)系，建立相應的數(shù)學模型。

(3) 選擇或設(shè)計合適的誤差補償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，以便在補償點實現(xiàn)補償運動.

(4) 驗證誤差補償?shù)男Ч?，進行必要的調(diào)試，保證達到預期要求。

誤差補償實時與非實時誤差補償

實時誤差補償(在線檢測誤差補償或動態(tài)誤差補償)：加工過程中，實時進行誤差檢測，并緊接著進行誤差補償，不僅可以補償系統(tǒng)誤差，且可以補償隨機誤差。

非實時誤差補償：只能補償系統(tǒng)誤差。

誤差補償軟件與硬件誤差補償

軟件補償：通過計算機對所建立的數(shù)學模型進行運算后，發(fā)出運動指令，由數(shù)控伺服系統(tǒng)完成誤差補償動作。軟件與硬件補償?shù)膮^(qū)分是看補償信息是由軟件還是硬件產(chǎn)生的。軟件補償?shù)膭討B(tài)性能好，機械結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、工作方便可靠。

誤差補償單項與綜合誤差補償

綜合誤差補償是同時補償幾項誤差，比單項誤差補償要復雜，但效率高、效果好。

誤差補償單維與多維誤差補償

多維誤差補償是在多坐標上進行誤差補償，難度和工作量都比較大，是近兒年來發(fā)展起來的誤差補償技術(shù)。

機械加工中誤差補償系統(tǒng)的組成如圖2所示。

(1) 誤差信號的檢測；

(2) 誤差信號的處理；

(3) 誤差信號的建模：建模是找出工件加工誤差與在補償作用點上補償控制量之間的關(guān)系；

(4) 補償控制：根據(jù)所建立的誤差模型和實際加工過程，用計算機計算欲補償?shù)恼`差值，輸出補償控制量；

(5) 補償執(zhí)行機構(gòu)：補償執(zhí)行機構(gòu)多用微進給機構(gòu)完成。2100433B

現(xiàn)代機械制造技術(shù)正朝著高效率、高質(zhì)量、高精度、高集成和高智能方向發(fā)展。精密和超精密加工技術(shù)已成為現(xiàn)代機械制造中最重要的組成部分和發(fā)展方向，并成為提高國際競爭能力的關(guān)鍵技術(shù)。車削加工誤差隨著精密加工的廣泛應用也成為了研究的熱門課題。由于在機床的各種誤差中，熱誤差以及幾何誤差占據(jù)著絕大部分，故以減少這兩項誤差特別是其中的熱誤差成為了主要目標。誤差補償技術(shù)(Error Compensation Technjque，簡稱ECT)隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)并發(fā)展起來。由機床熱變形造成的損失是相當大的。故極有必要開發(fā)能滿足工廠實際生產(chǎn)要求的高精度、低成本熱誤差補償系統(tǒng)來修正主軸(或工件)與切削刀具之間的熱誤差，以提高機床加工精度，降低廢品、增加生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

基本定義

誤差補償?shù)幕径x是人為地造出一種新的誤差去抵消或大大減弱當前成為問題的原始誤差，通過分析、統(tǒng)計、歸納及掌握原始誤差的特點和規(guī)律，建立誤差數(shù)學模型，盡量使人為造成的誤差和原始誤差兩者的數(shù)值相等、方向相反，從而減少加工誤差，提高零件尺寸精度。

最早的誤差補償是通過硬件實現(xiàn)的。硬件補償屬機械式固定補償，在機床誤差發(fā)生變化時要改變補償量必須重新制作零部件、校正尺或重新調(diào)整補償機構(gòu)。硬件補償又有不能解決隨機性誤差、缺乏柔性的缺點。發(fā)展的軟件補償其特點是在對機床本身不作任何改動的情況下，綜合運用當代各學科的先進技術(shù)和計算機控制技術(shù)來提高機床加工精度。軟件補償克服了硬件補償?shù)脑S多困難和缺點，把補償技術(shù)推向了一個新的階段。

特性

誤差補償(技術(shù))具有兩個主要特性:科學性和工程性。

科學性誤差補償技術(shù)的迅速發(fā)展極大地豐富了精密機械設(shè)計理論、精密測量學和整個精密工程學，成為這一學科的重要分支。與誤差補償相關(guān)的技術(shù)有檢測技術(shù)、傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)、光電技術(shù)、材料技術(shù)、計算機技術(shù)以及控制技術(shù)等。作為一門新技術(shù)分支，誤差補償技術(shù)具有自己的獨立內(nèi)容和特色。進一步研究誤差補償技術(shù)，使其理論化、系統(tǒng)化，將具有非常重要的科學意義。

工程性誤差補償技術(shù)的工程意義是非常顯著的，它包含3層含義:一是采用誤差補償技術(shù)可以較容易地達到“硬技術(shù)”要花費很大代價才能達到的精度水平;二是采用誤差補償技術(shù)，可以解決“硬技術(shù)”通常無法達到的精度水平;三是在滿足一定的精度要求情況下若采用誤差補償技術(shù)，則可大大降低儀器和設(shè)備制造的成本，具有非常顯著的經(jīng)濟效益。

車削加工熱誤差產(chǎn)生及分類

隨著對機床精度要求的進一步提高，熱誤差在總誤差中的比重將不斷增大，機床熱變形已成為提高加工精度的主要障礙。機床熱誤差主要由馬達、軸承、傳動件、液壓系統(tǒng)、環(huán)境溫度、冷卻液等機床內(nèi)外熱源引起的機床部件熱變形而造成的。機床幾何誤差來自機床的制造缺陷、機床部件之間的配合誤差、機床部件的動、靜變位等等。

誤差補償基本方法

綜上所述及相關(guān)參考文獻，可知車削加工誤差一般是由下列因素引起的：

機床熱變形誤差;

機床零部件和結(jié)構(gòu)的幾何誤差;

切削力引起的誤差;

刀具磨損誤差;

其他誤差源，如機床軸系的伺服誤差，數(shù)控插補算法誤差等等。

提高機床精度有兩種基本方法:誤差防止法和誤差補償法。誤差防止法是試圖通過設(shè)計和制造途徑消除或減少可能的誤差源。誤差防止法在一定程度上對于降低熱源溫升、均衡溫度場和減少機床熱變形是有效的。但它不可能完全消除熱變形，且花費代價是很昂貴的;而應用熱誤差補償法則開辟了一條提高機床精度的有效和經(jīng)濟的途徑。

相關(guān)結(jié)論

車削加工誤差的研究是現(xiàn)代機械制造中最重要的組成部分和發(fā)展方向，并成為提高國際競爭能力的關(guān)鍵技術(shù)，誤差的產(chǎn)生是多方面的，對熱誤差的分析與研究有利于提高車削精度和技術(shù)要求。

誤差補償技術(shù)能滿足工廠實際生產(chǎn)要求的高精度、低成本，熱誤差補償技術(shù)可以修正主軸(或工件)與切削刀具之間的熱漂誤差，提高機床加工精度，降低廢品、增加生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

《數(shù)控機床誤差實時補償技術(shù)》主要介紹數(shù)控機床的誤差概念及誤差形成機理、誤差綜合數(shù)學模型的建立方法和理論、誤差檢測和誤差元素建模技術(shù)、誤差實時補償控制及其系統(tǒng)等內(nèi)容，并在理論方法基礎(chǔ)上，給出了誤差實時補償應用實例。

《數(shù)控機床誤差實時補償技術(shù)》可作為機械制造專業(yè)研究生的教材或教學參考書，也可供從事精密加工、精密測量，以及數(shù)控機床設(shè)計、制造及使用的人員閱讀。