螺纹磨床实时误差预报方法与补偿技术综述(一)

1 误差补偿技术概述
 以提高效率为主的自动化和以提高精度为主的精密化，是现代制造技术发展的两个主要方向。而其中的超精密加工技术，是集测量学、微电子学、近代光学、控制论、信息论等技术与机械制造技术相融合的一门边缘学科，具有重要的学术价值与显著的社会经济效益。要实现超精密加工，一方面可以提高机床的制造精度，但其代价昂贵，且精度的提高也有一定的限度；另一个途径是误差补偿技术，它可以将机床本身的制造误差、环境因素造成的加工误差、刀具磨损、振动、热变形和力变形等因素的影响综合考虑，从而获得较高的加工精度，因此是一种经济可行而又具有较大现实意义的措施。
 误差补偿技术与传统的精化机床的方法不同，它不需要十分费力地去精确找出“病因”。它是把众多的形成机床加工误差的因素视作为一个不知其相互间作用内情的“黑盒”，而只针对它最终出现的误差值予以自动修正。它不需对机床的结构和制造作重大变更，所需费用较少且调整灵活，因而成为提高机床工作精度的一个良策。误差补偿技术按其发展历程，主要可分为三种：
 1）机械式静态补偿法。主要是通过修正传动机构的位移量(如螺纹加工机床和滚齿机)，调整读数装置的示值(如坐标镗床)和应用导轨反向弹性交形(如立车的横梁)等措施来补偿位移误差。但它只能按预置的设定值进行补偿，而不能按实际情况进行反馈控制。
 2）实时补偿法。主要是通过测量机床移动部件的实际位置或工件的某一尺寸参数，并与规定值进行比较，然后按得出的误差值进行反馈补偿。此法用于各种闭环位置控制的数控机床和具有反馈补偿功能的机床(如反馈补偿型的开环或半闭环数控机床，带有工件尺寸在线检测和反馈控制的螺纹磨床及外圆磨床等)。实时补偿法具有适时调整补偿量以提高加工精度的优点。其不足之处在于只能精确补偿检测方向上的误差，对于两轴联动的轮廓加工误差以及由三轴或更多轴联动时产生的空间位置误差(简称空间误差)，这种单纯依靠硬件系统的检测和反馈的方法，就不能获得精确的补偿效果。
 3）综合动态补偿法。其基本方法是实时补偿技术和软件技术相结合。主要特点为：①补偿的动态性。是指能根据机床的工况(转速、进给量和载荷等)、环境条件(室温、散热和地基等)和切削作用点的空间位置的变化来自动跟踪相应地调整补偿量。②补偿的综合性。由于机床工作时存在多种类型误差(如几何误差、热误差和承载变形误差等)的共同作用，而其各自的比重随工作条件而变化，如高速时热误差占有最大的比重，而低速时几何误差可能是最主要的。因此误差的综合补偿不仅避免了仅对单类误差进行补偿时的效果局限性，也能实现补偿量的优化。因此，综合动态补偿法能进一步拓宽补偿的功能，并提高了补偿精度。
2 传动链运动误差测量和补偿现状
2.1传统机械校正尺方法
 由于机床使用要磨损、零件受热要变形，因此靠机床原有的精度来加工高精度的滚珠丝杠是困难的，为了减少机床传动误差和温度变化对滚珠丝杠加工精度的影响，在机床上附设一个效正机构来提高机床的加工精度。
 螺纹磨床校正机构的用途，就是通过校正元件（校正尺等）使最终传动件（如母丝杆螺母副）获得一定的附加运动，来校正各种误差对工件螺距精度的影响。设计校正机构应满足下述的要求：
 （1）能同时校正工件的螺距相邻误差和累积误差。
 （2）校正放大比要合理选择，便于挫修校正尺曲线，校正精度高，但选择过大，会使放大机构庞大（如需要很长的杠杆等），因此必须根据具体情况而定。
 （3）为了保证双向进给时螺纹两侧面的螺距精度，应采用两把校正尺进行校正。
 （4）结构要简单，制造调整要方便。
 据上可知，修括校正尺高度的主要依据是加工后的丝杠螺旋线误差，这种方法现在大多数螺纹磨床仍然在采用，它能够补偿大部分静态几何误差和一部分动态误差，对控制被磨丝杠全长累积误差和局部误差（25、100、300mm内误差）有一定的效果，但是不能补偿2弧度内周期误差，而且操作不便。后来有发展为根据传动链运动误差在线测量曲线修括校正尺以及采用数控穿孔纸带代替校正尺来补偿传动链误差。
2.2当今几种误差补偿技术方法
 近几年来出现了实时测量反馈误差补偿技术和实时预报误差补偿技术，并且有的已经在生产实践中使用成功，现对其介绍如下：
 1）北京机床研究所于1980年研究成功的实时在线闭环反馈传动链运动误差补偿系统如图1所示。系统以光栅盘作为圆周基准元件，以激光干涉仪作为长度基准元件，基准信号经分频器，由比相计测得传动链的运动误差，再经过误差方向辨识器判定除误差的方向，由一独立的脉冲发生器产生均匀脉冲作为环形分配器的输入，由功放电源带动步进电机驱动误差补偿机构动作，控制部分采用集成电路。由于只辨识误差的方向，不辨识误差的大小，从控制理论上讲，采用的是最速控制器（Bang－Bang控制器）。传动链运动误差为1，磨削丝杠可达1米4级精度。
 2）汉江机床厂SG7720蜗杆磨床传动链运动误差在线测量与反馈补偿如图2所示。该系统一光栅盘和光栅尺分别作为圆周和长度方向基准元件，检测出的基准信号经分频比相后，采用双积分电路得到与误差大小（代数值）成比例的电压信号，并且用此电压信号控制一脉冲发生器产生频率与控制电压大小成比例的信号送入环形分配器。此种方法从控制理论上来说采用的是比例控制器，该控制系统采用中小规模集成电路。光栅盘一圈条纹数为21600，光栅尺条纹密度为100条/mm，另外读数头有一由正弦尺带动的微动机构，用以补偿不能进行整数分频时的相位偏移。补偿后传动链运动误差为0.6，被磨工件2内周期误差为1。目前这台磨床用于加工国家计量院委托的单啮仪用的标准蜗杆，其实际效果比较显著。
 3）日本在研究丝杠磨削误差补偿方面花了很大的人力和物力，他们的研究持续时间长，在上世纪80年代开始试验采用计算机控制系统对滚珠丝杠加工进行误差补偿。该系统结构见图3，该系统用光栅盘作为圆周基准元件，长度基准元件采用光栅尺，后来又在试用磁栅尺和激光干涉仪。在磨削热变形控制方面采用多喷嘴淋浴冷却。加工出丝杠周期误差为1.3～1.5，累积误差为3.5左右。此系统的特点是考虑了前一次工作行程的残留误差，并认为此残留误差是控制补偿机构的滞后所引起的，为此在反馈控制中加入一些修正量。具体实施步骤为：①测出本次磨削行程传动链的实际误差值；②从内存中读出上次磨削行程传动链的残留误差值；③根据①②两步得到结果算出本次误差修正值；④本次误差修正值加入侧隙补偿量成为本次工作台进给补偿值控制步进电机，同时存入内存。我们可以看出，在控制理论上基本上是采用的比例控制器，计算机只是作为记忆单元在使用。同时残留误差是由滞后引起的这一观点也值得商榷，因为很多高频误差分量是测量系统引起的，即使是传动链本身具有的也是事实上不可控的。
 4）传动链误差补偿系统，该系统结构见图4。该系统圆周基准采用旋转变压器，长度基准元件采用的是激光干涉仪，但是其测量方法有所改进，从传统的比相法改为计数法。此系统的主要特点是利用时间序列法（DDS），对数据进行处理，建立数学模型，预报下一步误差值，然

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