机床运动误差测量方法研究
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机床运动误差测量方法研究
摘 要
随着现代机械制造技术的飞速发展，精密和超精密加工技术已经成为现代机
械制造业发展的主要趋势。数控机床是制造业的加工母机，其精度直接影响工件
的加工精度，因此通过检测数控机床误差提高加工精度的研究受到了广泛关注。
但机床在加工工件时，工件本身的误差是其所在范围的机床误差导致的，此时并
不需要去测量整个机床范围的误差，论文针对这一问题，设计了一套针对加工工
件的机床运动误差在机测量系统，研究了一种实用的误差评测方法，并且对所研
究方法和系统进行了相关的实验和数据分析。论文主要研究内容分为以下几部分:
1. 分析了常用数控机床误差测量方法，这些测量方法通过建立误差模型、测量
设定轨迹及建立误差预测模型来测量整个机床误差，其测量设备安装较复杂且灵
活性不好，因此不适合动态测量工件的误差。本文通过自制信号线将机床内部光
栅尺信号引出来测量工件的误差，这样既利用了光栅尺本身精度高的特点，又可
以动态测量轨迹误差，且不受工件加工位置的限制。
2. 针对 NI 的数据采集卡 USB 6341，采用 Labview 设计了数据采集软件，实现
了采集软硬件的无缝连接，同时软件便于扩展，易实现三轴及三轴以上信号的采
集。
3. 研究了基于非均匀 B样条曲线拟合，此算法可以实现闭合离散点的分段拟
合；针对采集数据点的特点，设计了误差处理算法，此算法通过离散点曲率提取
角点或切点及拐点，通过分析轨迹 G代码得到理想轨迹的分段端点及分段端点间
的曲线类型，再将采集数据点匹配到相应的理想曲线段，进而得到相应的误差。
4. 对X-Y 二维平面中设定的轨迹，采用本文的误差测量系统在机床上进行了
验证，实验结果验证了系统的可靠性，为后续三维空间的测量打下了基础。
关键词：光栅尺 工件误差 在机测量 曲线拟合 特征点检测
ABSTRACT
With the development of modern machinery manufacturing technology, precision
machining and ultra-precision machining technology have become a main trend. CNC
machine tool is manufacturing processing mother ship and its precision directly
influences the workpiece machining precision, so there have been significant researches
on improve the machining accuracy through detecting errors of CNC machine tool, but
when processing a workpiece, the error of the workpiece is caused by the error of the
machine tools within the range, so it is not necessary to measure the error of the whole
machine tool. And therefore, this paper designs a measurement system to calculate the
machine motion error and focuses on a practical error evaluation method. A variety of
experiments and data analysis have proved the effectiveness of the proposed method
and system. The rest of the paper is as follows:
1. This paper analyzes several common error evaluation methods of CNC machine
tools. By establishing the error model, measuring the set track, and establishing the
error estimation model, the error of the whole machine tools can be calculated. The
signal of machine grating scale is derived from the homemade signal lines, which
utilizes the high precision of the grating scale and leads to the dynamic track error
measurement.
2. Focused on NI USB 6341, a data acquisition software based on Labview has
been designed to realize the seamless connection of the acquisition software and
hardware. Plus, this software is easily extendible to realize the triaxial signal acquisition
and more.
3. This paper researches on the non-uniform B-spline curve fitting, which can
realize the piecewise fitting of closed discrete points. Plus, an error processing method
is proposed based on the characteristics of the acquisition data. The angular points and
the inflection points are extracted via discrete point curvature, the section points and
their curve type of the optimal track are obtained by analyzing the track G code. By
matching the acquisition data to the corresponding optimal curve section, the error is
measured.
4. Focused on the set track in two-dimensional plane, experiments are conducted
on machine tools. The results have confirmed the reliability of the proposed system, and
lay the foundation for the following tests in three-dimensional plane.
Key Words: Grating, Machine Tool Error, On-Line Measurement,
Curve-Fitting, Feature Point Detection
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1 课题研究背景及意义..........................................1
§1.2 机床误差测量的国内外发展状况................................1
§1.2.1 直接测量法.............................................1
§1.2.2 间接测量法.............................................2
§1.2.3 综合测量法.............................................2
§1.3 课题研究内容及结构..........................................4
第二章 误差测量系统总体设计及硬件平台................................6
§2.1 误差测量系统分析............................................6
§2.2 误差测量系统总体框架........................................7
§2.3 系统硬件平台................................................7
§2.3.1 光栅尺.................................................8
§2.3.2 插值和数字化设备.....................................11
§2.3.3 数据采集设备..........................................13
§2.3.4 硬件系统实物连接......................................18
§2.4 本章小结...................................................19
第三章 数据采集及误差处理软件设计...................................20
§3.1 机床数据采集程序设计.......................................20
§3.1.1 Labview 程序设计.....................................20
§3.1.2 NI-DAQmx.............................................20
§3.1.3 采集程序设计.........................................21
§3.2 机床误差处理程序设计.......................................24
§3.2.1 最小二乘法拟合圆.....................................24
§3.2.2 非均匀 B样条曲线拟合.................................25
§3.2.3 离散曲率及特征点求解.................................29
§3.2.4 数控机床 G代码分析...................................32
§3.2.5 误差处理程序设计.....................................33
§3.3 本章小结...................................................34
第四章 机床运动误差在机测量实验及数据分析...........................35
§4.1 机床运动误差测量实验.......................................35
§4.2 数据处理及结果分析.........................................36
§4.3 本章小结...................................................43
第五章 成果与展望...................................................46
§5.1 本课题的主要成果...........................................46
§5.2 展望.......................................................46
参考文献............................................................47
第五章 成果与展望
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景及意义
随着电子信息技术的发展，世界机床业已经迈进了以数字化制造技术为核心
的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工
母机和国民经济的重要基础，其精度直接影响工件的加工精度。因此，如何提高
数控机床加工精度成为了重要的研究课题。
提高机床精度有两种方法[1]。一种是通过提高零件设计、制造和装配的水平来消
除可能的误差源，称为误差防止法 (error prevention)。但随着加工精度的提高，单
纯依靠提高机床零部件质量来减小机床加工误差，在技术上变得越来越困难，在
经济上也变得越来越难以承受。另一种叫误差补偿法(error compensation)， 机床误
差是机床按某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应
之间的差异，因此，通过修改机床的数控程序，对数控机床进行误差补偿，最终
达到设定的运动轨迹。该方法不需要对机床的结构做变更，因而降低了成本，成
为提高数控机床精度的重要方法[2]。要做好误差补偿，需要快速准确的检测机床的
误差值。
机床误差主要包括几何误差、运动部件低速运动时的运动误差、机床部件偏载
引起的误差、热变形误差等。研究表明，几何误差和由温度引起的误差约占机床总
体误差的 70%，在温度变化影响很小时，几何误差就占误差的主要部分。因此对
机床几何误差的辨识与补偿就显的尤为重要，几何误差相对稳定，易于进行误差
补偿[3,4] 。
当使用数控机床加工工件时，并不需要测出整个机床范围的误差，只需要求
出工件本身范围内机床加工产生的误差即可，因此本论文针对加工工件本身的误
差测量问题进行研究，设计了一套工件误差测量系统，这对提高整个机械工业的
加工水平有着重要的意义。
§1.2 机床误差测量的国内外发展状况
目前，直接测量法、间接测量法以及综合测量法是机床误差检测常用的方法。
§1.2.1 直接测量法
直接测量法是利用单个工具分别测量机床的每项误差，这样机床的各个轴的
每项误差都可以获知。电容或电感测微仪、四象限光电池等用来测量直线度误差；
标准量块、直线光栅、读数显微镜、步距规、球阵、球列等用来测量定位误差；机械
1
摘要：
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机床运动误差测量方法研究摘要随着现代机械制造技术的飞速发展，精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造业发展的主要趋势。数控机床是制造业的加工母机，其精度直接影响工件的加工精度，因此通过检测数控机床误差提高加工精度的研究受到了广泛关注。但机床在加工工件时，工件本身的误差是其所在范围的机床误差导致的，此时并不需要去测量整个机床范围的误差，论文针对这一问题，设计了一套针对加工工件的机床运动误差在机测量系统，研究了一种实用的误差评测方法，并且对所研究方法和系统进行了相关的实验和数据分析。论文主要研究内容分为以下几部分:1.分析了常用数控机床误差测量方法，这些测量方法通过建立误差模型、测量设定轨迹及建立...
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作者：牛悦
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