具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供了一种用于精密加工的误差传感补偿方法，包括如下步骤：

S1:控制单元接收加工指令并输出第一控制命令控制执行部进行第一动作；

S2:所述执行部动作过程中自输出传感变量并将所述传感变量反馈至所述控制单元，传感变量的检测部位来自于执行部所具有的刀具的刀尖101上，所述传感变量通过频率参量的变化获得。

S3:控制单元输出第二控制命令控制执行部进行第二动作进而能够修正所述传感变量至设定范围，实时进行反馈和命令输出，进而使加工传感变量的修正实时进行，进而保证工件102的加工精度；

S4：若继续加工，系统返回到S2；若加工完成，控制单元控制执行部停止动作，所述传感变量反馈以及第二控制命令的输出在加工完成前持续进行。

在实际的工件102加工过程中，加工指令包括执行部所具有的刀具沿第一方向的进给量、沿第二方向的进给量和/或沿第三方向的进给量，其中，第一方向垂直于第二方向，第三方向垂直于第一方向和第二方向所在的平面，第一方向、第二方向、第三方向的运动分别对应刀具沿X方向、Y方向、Z方向的运动，执行部通过三个方向的进给运动到加工位置对工件102进行加工。

进一步地，执行部包括驱动器单元以及机床103单元，所述驱动器单元安装在机床103单元上后的频率参量为f0，驱动器单元在与工件102接触加工过程中驱动器单元的频率参量为f1；对在时刻t时f1相对于f0的变化量δft的对应传感进给物理量进行标定，或对进给过程中的δft进行实时在线辨识，进而获得驱动器单元在频率参量变化量为δft时对工件102的精确进给量、进给负载的传感进给物理量。

本发明中的执行部适用于减材加工设备，如机床103，机床103为各类传统去材加工机床，如车床、铣床、磨床、刨床、钻床、多轴数控加工中心等，此处刀具为车刀、铣刀、珩磨油石、砂轮、钻头、镗刀、砂轮、研磨头、抛光头、流体注射针头等；也适用于增材加工设备，如金属3D打印机，此时的刀具可为3D打印喷头。

本发明中的刀具为自传感自伸缩的驱动刀具，驱动刀具的数量根据被加工工件的复杂程度可以设置为一个，也可以设置为多个同时加工，以提高加工效率。

在实际的工件102加工过程中，加工精度受到多种传感进给物理量因素的影响进而带来传感变量，传感进给物理量包括位移、应变、力、振动、传递误差、温度、磨损、冲击、噪声中的任一种或任多种的组合，其中，力包括外部施加的力，也包括执行部本身产生的应力等，为方便理解，下面举例说明。

如图4所示，图中的S为刀尖101相对于工件102的位置，其中S由两个量决定，S＝S₀+ΔS，其中，S₀为控制单元执行加工指令控制机床103驱动产生的位移进给量，ΔS为刀具自身产生的位移和/或应变。

如图5所示，图中的F为刀尖101相对于工件102产生的进给负载，其中F由两个量决定，F＝F₀+ΔF，其中，F₀为控制单元执行加工指令控制机床103驱动产生的力，ΔF为刀具自身产生的应力和/或由于刀尖的磨损产生的力。

如图6所示，图中的S_Vib表示刀尖101与工件102加工过程中实际进给量，实际进给量与加工指令所对应的进给量存在一个稳定的波动，例如加工指令所对应的进给量为1㎜，而实际进给量为在1㎜上下波动，如0.9㎜，再如1.1㎜，还如1.2㎜，比如由干扰的振动引起，振动包括多方面，机床自身的振动和来自外界的振动等。

如图7所示，图中的S_transf为由于机床本身传动部件的加工精度不高存在传递误差造成的驱动实际进给量，例如由于传动丝杠加工精度不高造成的传递误差等，实际进给量与加工指令所对应的进给量存在一个不稳定的波动，进而影响加工精度。

如图8所示，图中的S_{structure-strain}为由于机床本身结构应变、装配中存在应力的释放因素干扰下的驱动实际进给量，实际进给量与加工指令所对应的进给量存在一个不稳定的波动，进而影响加工精度。

如图9所示，图中的S_temp-strain为在机床本身温度变化或外界温度变化的情况下驱动实际进给量，实际进给量与加工指令所对应的进给量存在变化，进而影响加工精度。

进一步，除以上描述的影响机床加工精度的传感进给物理量外，还包括冲击、噪声等多种影响因素。外界温度的变化会导致机床103各部件热胀冷缩的微小形变，最终体现到刀具的刀尖101与工件102之间距离、力的变化导致影响加工精度，刀具与工件102加工过程中由于摩擦导致温度变化也会导致刀具发生微小形变，从本质上讲，也会对加工精度产生影响。机床103整机的振动、局部的振动以及多个振动的组合也会造成刀具与工件102加工精度的不确定性。在刀具驱动进给的过程中，输出的控制命令不能被精确执行造成传递误差，例如由于传动用的丝杠加工精度不高，导致输出驱动的不精确性，例如驱动刀具沿第一方向前进1㎜，实际却由于丝杠加工精度的问题可能会驱动前进0.98㎜，因此传递误差也影响到加工精度。同时，由于装配过程中各个部件装配力的差距会造成由于应力释放影响刀具的加工精度。刀具的磨损也会随着加工频率的升高日渐严重，也可能成为机械加工精度变低的因素。

进一步地，针对精密工件102加工过程中影响加工精度多的情况，难以对各种因素带来的进给量的变化一一列举，本发明将最终加工精度传感补偿落实到刀具的刀尖101上，不管存在多少不稳定的影响因素，最终通过实现对刀具刀尖101进行误差补偿实现最终的加工精度，各种影响因素的组合最终表现在刀具的刀尖101上并实现自传感、自驱动，通过进给补偿抵消掉误差，并实时感知和补偿，实现误差补偿的连续性，大大提高了加工精度。

实施例2：

本实施例为实施例1的优选例。

本实施例以车床为例，说明机床103加工过程中实现误差传感补偿方法。此外，本发明中的刀具为依次串联有压电材料体、磁致伸缩材料体、电磁永磁材料体、形状记忆合金材料体、静电材料体、相变材料体中的任一种或任多种材料体的组合体，其中，包括同种材料体的多体组合体，通过结构的设置也能够实现本发明中的效果。具体地，刀具中包括采用材料为具有加磁场或加电场、冷热变形、流体压力变形、化学反应变形的多种情况都可以实现信号采集进而实现自传感自伸缩，本发明将以磁致伸缩具体材料、压电具体材料为例进行说明，磁致伸缩体、压电体串联布置仅是自传感自伸缩驱动刀中的特殊的一种。

如图10、图11所示，驱动器单元主要由磁致伸缩材料制作的巨磁致伸缩(GMM/Terfenol-D)棒1和压电材料制作的压电堆块2(PZT)组成。碟簧3挤压依次串行连接的输出杆4、压电堆块2和巨磁致伸缩棒1。驱动传感机理可描述为：

首先，初始时对GMM棒由小电磁线圈5施加高频(～n10 kHz)微幅(～mA)电信号激励Va2，产生对应磁致伸缩驱动响应施加于PZT产生的压电信号Vps2。此时，由于驱动器单元为确定状态，根据Vps2信号可以获的一个稳定的谐响应峰值频率fvps2。该峰值频率信号可以作为驱动器单元自身初始状态的“自整定”参数或驱动器单元自身工作初始(基础)状态的一致性参数指标。

其次，对GMM棒由大电磁线圈6施加大幅低频电信号激励Va1(频率0～n100 Hz，幅值nA～n10A)，GMM棒受激励伸长产生驱动输出Δs。由于智能材料具有杨氏模量的ΔE效应，使得GMM伸长或外部施加负载时都会导致自身刚度的变化，即驱动器单元的固有频率对应变化，该变化对应产生fvps2的偏移变化量δf。

总之，通过对δf的辨识和准确量化，可以得到驱动器单元的驱动位移和/或驱动力的对应量值，因此，可以实现基于磁致伸缩复合压电材料驱动的自传感驱动进给。在驱动输出杆4末端固连机械加工刀具，则该装置可为一把自传感自伸缩驱动刀具。该刀具安装在机床103上可用于机床103进给机构末端相对被加工工件102的位置进给或位置，最终实现可控精密加工。

进一步地，传感信号除了本实施例中对压电材料的电信号采集外，还可以通过相位信号、时频信号的辨识来获得位移和/或力的变化，在实际应用中，刀具中信号采集所对应的部件也存在频率相同相位不同的情况，或频率相同但时刻不同的情况，因此本发明不仅仅局限于磁致伸缩复合压电材料驱动的结构。

另外，在具体产品的设计中，还可以刀具刀尖为传感点，补充在刀具进给方向上，辅助一个或多个自传感驱动器或相应传感器，用于刀尖最终传感的辅助监测，或分段、分功能的检测(如通过热，振动等)，最后结合刀具刀尖的传感，用于验证自传感自驱动的精确性。

进一步地，环境温度、驱动器所在载体机床103的工作对象状态变化，导致如驱动刀具、进给机构和刀具相对工件102的挤压程度或实际切削量不确定变化——对应机床103刀具末端与工件102之间产生的单一或复合的误差：如机床103系统传动累积误差(图7)、温升误差(图9)或床体结构应力应变变形误差(图8)，环境振动(图6)等干扰因素，都可以“归一”于自传感驱动器的输出端的应变、应力变化，即刀具刀尖应力、应变的变化。这些致使自传感驱动器末端相对工件102运动输出的应变、应力变化，都可根据初始“自整定”频率fvps2后偏移变化频率δf的量或信号频率/频谱特征进行溯源，并获得对应量值。因此可以通过自传感驱动器的传感检测和驱动输出控制进行进给干扰误差量的补偿，而实现所需净进给量的精确进给。

虽然基于频率“归一”溯源出驱动过程的干扰，进行补偿，实现精确控制方法简捷明确，但是，实际工况下一定是多种物理量并行进而产生δf，对应辨识出相关物理量存在难度。为此本发明从三个方面考虑解决多种驱动干扰自感知和补偿精确驱动。

方法1：物理标定建模

由于机床103所采用自传感驱动器具有初始状态自整定特性，因此可以基于驱动器自身标定的初始状态，采用控制变量法，连续施加确定变化量的某一单一干扰物理量(如磁致伸缩驱动磁场强度、环境温度、环境振动等)δw，对应测取δf，致使建立对应关系F(δf～δw)。并且对于主要物理量还可以同时施加2个或2个以上的变化量进行耦合输入加载而获得δw₁,δw₂……～δf的关系。最后通过对测试数据的拟合可以获得对应关系模型。

方法2：数学分析建模

依然基于归一于频率响应的方法，将自传感驱动器单元视为一个动力学系统，将驱动电磁场、各干扰物理量作为系统的输入，以δf或对应物理特征的多个δf作为输出，构建多输入单输出、多输入多输出动力学响应数学模型。由于不同物理量如电磁场激励、温度、负载等驱动器加载而产生的信号频谱特征存在差异，因此可以进行单一激励或多个激励下，对应δf的输入物理量的分析计算关系模型。该模型可以同时基于物理标定建模和其中数据进行参数修正和模型有效性验证。

方法3：精确进给量通过频率参量获得

机床103上的驱动器单元为自传感驱动器，为状态可自整定的器件。本发明方法拟将自传感驱动器与机床103载体视为两个独立单元，并固连整合成系统进行分析。驱动器单元初始整定状态参量(单或多参量)δf0为初始频率参量，与机床103单元安装后，驱动器单元二次整定所得频率δf1为系统初始状态基准参量，并且两参量偏差可以作为机床103初始状态稳定性/一致性判据。并且，机床103的驱动器/刀具与工件102对刀接触状态(具有机床103系统误差、温度偏差、振动干扰等综合状态)时再整定，获得频率δf2。最后以此为基准，自传感驱动器/刀具主动进给获得加工过程中的实时进给状态检测频率δft，通过跟踪最优δft驱动控制实现加工过程中精确微进给。通过该方法可实现机床103状态的参量化、驱动器件/刀具进给状态一致性控制的目标。

进一步地，驱动器单元中的磁致伸缩本构模型及变刚度(ΔE)效应方法如下：

磁致伸缩材料体在外加激励磁场作用下将产生应变，从而使磁致伸缩驱动器输出位移或力。磁致伸缩材料体满足如下关系：

B＝dσ+μ^σH (1)

其中，B为磁感应强度，H为磁场强度，为恒定应力和恒定磁场下的弹性模量，d为磁机耦合系数，σ为磁致伸缩材料体内部的应力，ε为磁致伸缩材料体内部的应变，μ^σ为恒定应力下的磁导率。

式(1)中的被看作常数，即磁致伸缩材料体的弹性模量对应于恒定应力和恒定磁场。然而，当配置与机床103的磁致伸缩驱动器/刀具处于外加磁场激励的工作状态下，其应力以及磁场环境都会发生变化而不是保持恒定，从而导致磁致伸缩材料体的弹性模量发生变化。将弹性模量随外界磁场及应力状态变化而发生的改变用ΔE表示，并将其定义为在磁场强度H和应力σ下的弹性模量减去零磁场无应力状态下的弹性模量E₀除以E₀：

通过考虑Gibbs自由能函数的泰勒级数展开高阶项可建立如下磁致伸缩材料体的本构关系，该模型能够有效的反映磁致伸缩材料的特性。通过该模型并结合材料弹性模量的定义即可预测磁致伸缩材料的ΔE效应:

其中，ε为磁致伸缩材料内部的应变，σ为磁致伸缩材料内部的应力，E_s为饱和弹性模量，λ_s为饱和磁致伸缩应变，M为磁化强度，H_e有效磁场强度，μ₀为真空磁导率，σ_s为饱和应力、M_S为饱和磁化强度，k为松弛因子，B为磁感应强度，为恒定应力和恒定磁场下的弹性模量，d为磁机耦合系数，μ^σ为恒定应力下的磁导率，通过计算得到对应于上述参数的机床103用磁致伸缩驱动器/刀具进给装置中磁致伸缩材料体的弹性模量随着工作磁场状态和应力水平变化图，如图12所示。

通过图12可以得到机床103用磁致伸缩驱动器/刀具进给装置中磁致伸缩材料体在设计的预压应力和偏置磁场状态下的弹性模量值，同时可以得到该弹性模量随着磁场和应力的变化规律E(H,σ)，由此可确定机床103用磁致伸缩驱动器/刀具进给装置中磁致伸缩材料体在外磁场及负载作用下的对应刚度k₀，进而对已获得该状态下的谐响应频率值:

K₀＝E(H,σ)A/L (4)

其中，k₀为磁致伸缩材料体在外磁场及负载作用下的对应刚度，E(H,σ)为给定磁场强度H和压应力σ时的杨氏模量，A为截面积，L为长度。

机床103末端输出应力、应变对应频率信号存在关系，图13、图14所示，为机床103用磁致伸缩驱动器/刀具进给装置在驱动电流I₀(磁致伸缩体产生位移的驱动电磁场的电流为I₀)及高频传感激励电流作用下I₁(磁致伸缩体初始用于自传感的高频驱动电磁场的电流为I₁)的等效力学模型，将负载质量及磁致伸缩压电复合材料等效质量之和视为主质量M_L，并假设在运动过程中，磁致伸缩驱动器/刀具中的磁致伸缩材料体靠于机床端的底部位移为零，驱动器/刀具末端始终与工件102(负载)不分离，具有相同的位移u。

公式(1)表明，磁致伸缩材料体的位移u由两部分组成，一部分是对应于弹性应变的弹性位移u_σ，另一部分对应于磁致伸缩应变的位移u_H即相对偏置磁场产生的位移的改变。设负载的刚度、等效阻尼系数分别为K_L、C_L，磁致伸缩-压电复合材料的等效刚度、等效阻尼分别为K_D、C_D，系统的阻尼系数为C＝C_D+C_L，在无其它外力作用时，主质量的运动方程为：

u＝u_σ+u_H (6)

可得：

K＝K_L+K_D (8)

K_D＝K_DTK_DP/(K_DT+K_DP) (9)

其中，磁致伸缩相的等效刚度为：K_DT，压电相的等效刚度为：K_DP。它们刚度分别有以下表达式计算获得：

K_DT＝E_T(H,σ)A_T/L_T (10)

K_DP＝E_PA_P/L_P (11)

其中，M_L为负载质量及磁致伸缩压电复合材料等效质量之和，u_σ为磁致伸缩材料体对应于弹性应变的弹性位移，u_H为磁致伸缩材料体磁致伸缩应变的位移，K_L为负载的刚度，C为系统的阻尼系数，K_D为磁致伸缩-压电复合材料的等效刚度，E_T(H,σ)给定磁场强度H和压应力σ时磁致伸缩相(体)杨氏模量，A_T为磁致伸缩相(体)截面积，L_T为磁致伸缩相(体)长度，E_p压电相(体)的杨氏模量，A_P为压电相(体)的截面积，L_P为压电相(体)的长度，u为刀具末端位移。

方程(5)即为驱动器的磁-机耦合动力学方程。当驱动器外加激励电流时，由于磁致伸缩材料体弹性模量的变化，导致系统的刚度K将发生变化。方程(7)的右端是使驱动器产生输出的激励项。根据系统动力学方程并忽略阻尼的影响可以简单估计系统的固有频率：

根据系统的输入磁场及压电相输出的电压信号得到系统的真实固有频率可以得到作用在磁致伸缩驱动器上的负载力及输出位移：

F_ext＝σA (13)

其中，F_ext为作用在磁致伸缩驱动器上的负载力，u为作用在磁致伸缩驱动器上的输出位移，ε为磁致伸缩材料内部的应变，σ为磁致伸缩材料内部的应力，E_s为饱和弹性模量，λ_s为饱和磁致伸缩应变，A为驱动器输出端面积，L_D为磁致伸缩部分等效长度，u_s为饱和应力，M为磁化强度，M_S为饱和磁化强度。

当对机床103磁致伸缩驱动器/刀具输入交变电流时，系统的动力学方程成为具有时变刚度的参数振动方程，系统刚度K由于磁致伸缩材料体的弹性模量E改变而改变，而E的改变是由于输入的交变电流使驱动器内部磁场发生变化而引起。磁致伸缩驱动器内部的磁场强度：

式中：H₀为恒定的偏置磁场强度；N为线圈匝数；L_D为磁致伸缩材料体的长度；I₀为驱动交变电流。

上式表明，当电流I₀随时间交变时，磁场强度也随时间交变，正是这一变化使磁致伸缩驱动器产生了位移输出，同时它也使磁致伸缩材料体的弹性模量发生了改变，进而影响了系统的动态特性；此时如果由于其它输入或干扰输入而转化为磁致伸缩材料体的杨氏模量/刚度进一步变化，对应检测频率将随之变化，从而也根据频率信号变化特征检测机床103状态或干扰物理量。由系统的动力学方程可知当驱动器施加驱动电流或承受外界负载力(各种导致应力变化的量可以等同/等效于负载)作用时，由于磁致伸缩材料体弹性模量的变化，导致系统的刚度K将发生变化，从而引起系统固有频率变化。

对此方法仿真分析，如取半径5㎜，长度50㎜的磁致伸缩压电复合材料，将此材料参数带入式(12)，结合式(13)、(14)、(15)可分别得系统固有频率fs与负载力F_ext及输出位移u之间的关系。

基于以上仿真计算结果可见，由于机床103驱动器/刀具工作时磁致伸缩材料体的弹性模量随负载及驱动电流作用下的变化，因此，磁致伸缩材料体的这种特性使得驱动器/刀具系统表现出具有时变刚度的参数振动特性：驱动电流幅值的改变及负载作用力的变化均会导致系统主共振频率的改变。因此，可以通过磁致伸缩压电复合材料中压电相的电压输出信号得到系统输出位移及负载作用力大小；或根据频率信号特征而获得各种可以等效为机床103末端磁致伸缩自传感驱动器/刀具与工件102之间的应力和应变参数的物理量或干扰进给误差，从而实时检测和控制修正。

所以，驱动器/刀具配合机床103工作时，进给末端因机床103自身、与工件102初始接触程度或环境干扰可能带来的非稳定偏差，可以通过等效为驱动器/刀具末端的应变或应力偏差而对应系统谐响应频率及压电检测输出频率来辨识和表征。

机床103宏运动进给、机床103驱动器/刀具微进给、机床103宏运动进给叠加微运动进给、刀具相对工件102振动、机床103传动间隙传递误差、机床103床身应力应变传递进给误差、机床103温度变化的进给误差等，均可以表征为机床103刀具末端相对工件102的以基准标定值对应的自传感驱动器/装置/刀具的应力和应变变化量。该变化量是一个具有不同误差成因特征频率/频谱的应力应变量，进而被智能材料和信号辨识方法所提取。进给、切削力、振动、温度、床身应力应变、传动间隙误差等的驱动频率特征信号在实际工程中是不可能完全相同的，因此驱动进给和驱动进给状态、驱动进给干扰均能实时检测和实施主动驱动控制或进给补偿控制，从而实现刀具相对工件102的精确、稳定和通过控制实施补偿修正的机床103进给智能化加工方式。降低精密机床103的制造难度，易于实现精密加工机床103的生产制造。

因此，本方法实现的自传感驱动器/刀具和机床103干扰补偿驱动控制可以创新实现智能化可实时驱动进给及进给误差自补偿的精密进给运动机床103。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。