超精密加工误差补偿技术研究综述_陈启迪.pdf

书书书第 卷 第期中 国 机 械 工 程 年月 超精密加工误差补偿技术研究综述陈启迪，胡小龙吝敏孙晓霞张涛周志雄中国北方车辆研究所，北京，湖南大学机械与运载工程学院，长沙，摘要：超精密加工技术是高端制造领域的一项关键技术，当前超精密加工已进入纳米尺度，掌握超精密加工误差控制关键技术、保障并提高数控机床的加工精度，已经成为提高加工制造水平的研究热点。系统总结了超精密加工误差补偿技术研究现状及发展趋势，重点介绍了对超精密加工影响最大的几何误差、力诱导误差、热诱导误差及其补偿方法。在此基础上，深入探讨了超精密加工在几何误差分离，切削力、热诱导误差测量与补偿等方面存在的一系列问题，进一步指出超精密加工误差补偿技术还应关注其向高效、高精，通用化，模块化，智能化及柔性化的发展方向。关键词：超精密加工；误差补偿；研究现状；发展趋势中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：，：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）引言随着科技的发展，超精密加工机床在国防安全、现代通信、航空航天等高端技术领域的需求快速增长。国内很多机床企业也能生产超精密加工机床，但核心部件仍需外购，在众多核心技术领域仍是空白。制约我国机床水平提高的因素一方面在基础科学方面，材料性能不达标、生产工艺不完善、结构设计不合理，使得生产出来的零部件性能达不到要求、可靠性差。另一方面在控制、测量技术方面，国内现有的机床运动、误差补偿模型和理论还不完善，软硬件系统功能性、兼容性、通用性差，传感器灵敏度低，测量装置精度低等，极大地限制了加工精度的提高。目前，提高机床加工精度、减小机床误差的方法主要有两种：一是误差防止法，即通过改进机床的设计、制造和装配等工序来尽可能减少乃至消除误差；二是误差补偿法，即通过对原始误差进行测量，并人为制造出其反向误差与之叠加进而抵消或削弱原始误差所造成的影响。机床误差补偿技术经过数十年的发展，经历了探索、发展与应用三个阶段，误差补偿理论与研究体系已经渐趋完善，但在超精密加工机床上的应用还不成熟，尤其是对于超精密微细加工，由于所加工零件尺寸微小、结构复杂，精度要求更高，针对超精密加工机床的旋转轴等关键部件的误差补偿研究依然是当今学术界和工业界的研究热点和亟需攻克的难点。因此，非常有必要阐明超精密加工误差补偿技术的内容范畴，全面分析超精密加工误差补偿技术研究现状，从中判断和把握存在的问题及发展趋势，推动我国超精密加工机床行业快速发展及生产应用，提升我国超精密加工制造水平。机床误差源机床精度的高低直接影响加工工件的表面质量。图展示了 世纪以来机床加工精度的变化趋势，由图可知，机械加工按照精度等级可分为普通、精密以及超精密加工三个层次。随着科学技术的进步，机床精度也随之提高，精度等级也在不断跨越，目前，普通加工的加工精度已经达到了 世纪 年代超精密加工技术水平，超精密加工的加工精度已达、加工表面粗糙度达 。但随着加工精度等级的提高，精度提高的难度在不断加大，精度提高的幅度呈放缓趋势。图加工精度的变化趋势 一个完整的机械加工工艺系统由“机床 刀具 夹具 工件”构成，工件的加工过程实际上是上述系统中各部件相互配合，进而实现位置移动和位姿变化精密控制的过程。然而，在实际加工中，诸多外界因素会导致各部件之间的运动不能完全按照理论状态运行，从而产生不同类型的加工误差，如：机床零部件设计、制造和装配缺陷导致位置偏 移 而 引 起 的 几 何 误 差（，），切削力导致工件、刀具、夹具之间发生力变形而引起的 力 诱 导 误 差（，），加工区域以及周边环境温度变化导致机床热变形而引起的热诱导误差（，）等。据统计，综合考虑不同机床自身的精度、损耗量、加工状况等因素，机床的几何误差、力诱导误差、热诱导误差分别约占机床总误差的、和。而对于超精密加工机床，通过配备机床恒温控制系统，并对环境进行严格的控制，极大地降低了热诱导误差对机床加工精度的影响。然而，超精密加工机床旋转轴的引入和微细刀具的使用使得机床对力诱导误差更加敏感。因此，几何误差和力诱导误差成为影响超精密加工机床精度的主要因素。根据误差性质不同，误差测量与补偿的方法也不同，如针对由装配导致的运动位置偏差，需要通过研究位置偏差与运动位置之间的关系来对其进行补偿；针对由切削力而导致的受力偏移或变形，需要通过研究切削力大小、机床刚度以及切削力误差之间的关系来对其进行补偿。因此，为便于对机床误差实施补偿，需要针对不同性质的误差进行相应的研究。图列举了机床的主要误差源以及不同性质的误差产生的原因。图机床主要误差源 随着加工精度的提高，机床的发展由简单到复杂，由单轴到多轴，各轴之间通过简单运动的相互配合实现不同形状的轮廓加工，机床的最终加工精度是由刀具与工件的相对位置共同决定的，机床在空间的实际轮廓误差是多种因素综合作用、各因素之间相互影响产生的结果，要确定两者之间的关系，需要建立完善的机床空间运动模型，并通过精确的测量来预测机床的位置移动以及空间误差。超精密加工机床几何误差研究现状根据 国际标准的相关规定，机床的几何误差是指在标准测试环境（标准大气压及 恒定气温）中，机床处在稳定的运转及无负载状态下所产生的误差，该误差一般与机床各组成环节或零部件的几何要素有关，是机床本身固有的误中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月差。超精密加工机床的几何误差可分为直线轴和旋转轴的 两部分，直线轴的几何误差补偿研究较为成熟，且模型通用性较强；而旋转轴的几何误差补偿研究还需要不断完善。直线轴几何误差补偿直线运动是机械加工中最基本的运动形式，因此，机床误差补偿的研究是从单个直线轴开始的。世纪 年代，提出对由数控机床导轨缺陷引起的直线轴 进行连续补偿的新概念，并提出使用光学测量的方法为误差补偿提供最佳的解决方案；等提出使用计算机编程对由工作台传动系统齿隙造成的直线轴加工误差进行补偿。数控机床误差补偿研究的开端从这一时期开始，随着研究的逐渐深入，业界对误差补偿的研究流程达成了共识，基本包括建立模型、测量参数和实施补偿三个步骤。其中，建立精确的误差模型是误差补偿研究最初也是最为重要的一步，将直接决定是否能够最终获得理想的误差补偿效果。因此，研究人员进行了大量误差建模方法的研究，其中，齐次坐标变换矩阵和刚体运动学理论得到了广泛运用。根据刚体运动学原理，采用齐次坐标变换的方法能够将空间误差表示为以位置、旋转、仰俯和偏转等误差分量为变量的综合表达式。但由于不同运动状态对应的误差分量不同，故如何选取、确定参数，决定了误差补偿的计算效率。等以刚体运动学为基础，通过多项式函数逼近误差分量，提出只需从条对角线对 个测量点进行位置测量确定空间误差参数，可以提高误差补偿的效率。等通过研究齐次变换矩阵（，）与运动链之间的 内 部关系，针对四种不同的三轴联动数控机床结构（图）进行了误差分析与总结，并对其共性展开研究，建立了包含 个误差元素的统一误差模型。（）结构（）结构（）结构（）结构图四种不同结构的三轴联动数控机床 为进一步提高误差补偿的精度，误差补偿研究从单一地考虑运动轴的误差开始逐渐引入了其他的影响因素，进而产生了多种新的研究方法。等 首次提出使用微型计算机求解误差方程式的方法，从而进行机床的几何误差补偿研究，误差计算方法较为精确。等 应用有限元法分析了机器人机构在给定输入运动或输入力作用下的动态和静态响应，但是由于使用有限元法需要获得精确的边界条件，其预测精度受到限制。等 提出使用循环试验识别数控机床运动误差源的方法，将运动误差分为“无方向误差模式”（顺时针和逆时针测试信号的平均值）和“定向误差模式”（顺时针或逆时针测试信号与无方向误差模式的偏差），并采用频率分析法和加权残差法对其分别进行识别，误差计算的精度进一步提高。等 使用接触式测量探头对安装在主轴上的标尺和标准球阵列（图）进行测量，从而对超精密加工机床的位置误差和运动误差参数进行辨识，较为准确地界定各误差参量的影响机制。图标准球阵列间接测量法 误差补偿技术发展的最终目标是实现工业化应用，而实验室阶段的误差补偿研究还不具备大范围推广的能力，因此，通过误差补偿系统的开发，能够促进误差补偿技术在实际生产中的应用。等 设计了模块化误差补偿软件系统，对机床导轨的几何和热误差进行实时预测和补偿，取得了良好的误差补偿效果，可将机床精度提高 倍。年，密歇根大学联合波音公司，将误差补偿技术应用到飞机机翼加工的巨型龙门加工中心上，对其几何和热误差进行了综合补偿，成功将机翼的加工精度提高了 倍，实现了数控机 床 误 差 补 偿 的 工 业 化 应 用。年，等 使用 （）方法开发了一套数控机床运动误差测量和诊断系统，用于识别由机械结构和数控超精密加工误差补偿技术研究综述 陈启迪胡小龙吝敏等伺服控制系统引起的运动误差，误差补偿系统趋于成熟。随着人工智能的发展，神经网络、深度学习等技术的运用越来越广泛，对误差补偿领域也产生了一定的影响。年，东京大学提出“智能制造”的新概念，随后一系列智能建模方法被运用到机床误差补偿中，进一步提高了误差模型的预测精度。年，密歇根大学安娜堡分校的吴贤铭制造研究中心通过对机床数控系统进行二次开发，开发了一套基于神经网络和计算机运行环境的加工误差实时补偿系统，进一步完善了误差补偿功能，实时补偿系统通过误差反馈及时调整加工参数，极大改善了加工质量。次年，该系统被成功应用于 台车削加工中心上，取得了良好的批量误差补偿效果，之后，密歇根大学与美国 公司进一步展开合作，开发了包括几何 切削力 热多误差综合补偿系统，并成功应用于一台双主轴数控车床上，多误差综合补偿使零件加工精度得到有效控制。年，等 开发出一套基于神经网络的误差补偿系统，并在两轴卧式机床上进行了实时误差补偿测试，神经网络通过寻优的方式使各误差综合影响程度降到最低。目前，平动轴的几何误差补偿技术已经趋于成熟，根据本领域所达成的共识，研究者普遍认为各平动轴的平移误差、角度误差以及轴间垂直度误差共计 项，超精密加工机床的平动轴几何误差补偿与传统机床相同，平动轴的运动精度、稳定性已经达到了一个较高的水准。旋转轴几何误差补偿国外许多研究机构都非常重视超精密加工机床几何误差补偿功能的研究，目前，超精密加工机床误差的研究热点和难点主要在于其旋转轴部分，针对超精密加工机床的误差补偿研究，需要从机床结构出发，对旋转轴部分的静力学、动力学性能等方面进行全面分析。世纪 年代初期，等 基于三轴机床误差补偿研究，结合五轴超精密加工机床的特点，将旋转轴引入刚体运动学模型中。年，等 引入了“固定误差参考系”和“运动误差参考系”的概念，并基于此提出了一种空间误差直接分析方法（法），用于评价超精密加工机床的位置和方向误 差。之 后，等、等 和 等 又进一步完善了 模型，并将其应用在机床定位误差的研究中。等 针对超精密加工机床结构的多样性，提出了一种基于体积三维长度测量的通用机床 误差补偿模型，使用该模型可以大幅提高误差补偿效率，从而降低误差测量成本，但其不足之处是测量设备价格十分昂贵，约为激光干涉仪的倍。等 根据机床的几何误差特性，将运动副准静态误差中的几何误差分为两大类：一类是与运动副运动位置无关的误差项（，），是机床在整个运动过程中移动轴实际平均线偏离理想平均线的位置和角度误差，它们是由机床装配缺陷引起的，在机床的运动过程中固定不变；另一类是与运动副运动位置相关 的 误 差 项（，），用于描述在指定坐标系下运动副实际运动偏离理想运动造成的偏差，它是由机床零部件的缺陷导致的，随机床的位置实时变化。之后，位置无关几何误差（，）和位置相关 几 何 误 差（，）（图）被列入 机床精度评定国际标准。图几何误差关系 由于 误差元素相对于机床位置固定不变，而 误差元素随着机床的运动而改变，故 相对于 要易于补偿，并且在大多数情况下，远大于 ，所以对 的误差研究往往不考虑 的影响。目前针对超精密加工机床旋转轴 补偿的研究相对较多。等 提出了基于跟踪球的一次装夹误差测量法（图），并成功应用于双转台五轴超精密加工机床所有 的测量，同时使用 模拟法对测量参数的不确定性进行了分析和建模，定性表征了误