數(shù)控機(jī)床幾何誤差及其補(bǔ)償方法研究
摘要:對(duì)數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因作了比較詳細(xì)的分析,將系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法進(jìn)行了歸納,并在此基礎(chǔ)上闡述了各類誤差補(bǔ)償方法的應(yīng)用場(chǎng)合,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級(jí)打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;幾何誤差;誤差補(bǔ)償
前言
提高機(jī)床精度有兩種方法。一種是通過(guò)提高零件設(shè)計(jì)、制造和裝配的水平來(lái)消除可能的誤差源,稱為誤差防止法 (error prevention)。該方法一方面主要受到加工母機(jī)精度的制約,另一方面零件質(zhì)量的提高導(dǎo)致加工成本膨脹,致使該方法的使用受到一定限制。另一種叫誤差補(bǔ)償法(error compensation),通常通過(guò)修改機(jī)床的加工指令,對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償,達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級(jí)。研究表明,幾何誤差和由溫度引起的誤差約占機(jī)床總體誤差的70%,其中幾何誤差相對(duì)穩(wěn)定,易于進(jìn)行誤差補(bǔ)償。對(duì)數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償,可以提高整個(gè)機(jī)械工業(yè)的加工水平,對(duì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,提高我國(guó)國(guó)防能力,繼而極大增強(qiáng)我國(guó)的綜合國(guó)力都具有重大意義。
1、幾何誤差產(chǎn)生的原因
普遍認(rèn)為數(shù)控機(jī)床的幾何誤差由以下幾方面原因引起:
1.1 機(jī)床的原始制造誤差
是指由組成機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀、表面質(zhì)量、相互之間的位置誤差所引起的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差,是數(shù)控機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的主要原因。
1.2 機(jī)床的控制系統(tǒng)誤差
包括機(jī)床軸系的伺服誤差(輪廓跟隨誤差),數(shù)控插補(bǔ)算法誤差。
1.3 熱變形誤差
由于機(jī)床的內(nèi)部熱源和環(huán)境熱擾動(dòng)導(dǎo)致機(jī)床的結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差。
1.4切削負(fù)荷造成工藝系統(tǒng)變形所導(dǎo)致的誤差
包括機(jī)床、刀具、工件和夾具變形所導(dǎo)致的誤差。這種誤差又稱為“讓刀”,它造成加工零件的形狀畸變,尤其當(dāng)加工薄壁工件或使用細(xì)長(zhǎng)刀具時(shí),這一誤差更為嚴(yán)重。
1.5 機(jī)床的振動(dòng)誤差
在切削加工時(shí),數(shù)控機(jī)床由于工藝的柔性和工序的多變,其運(yùn)行狀態(tài)有更大的可能性落入不穩(wěn)定區(qū)域,從而激起強(qiáng)烈的顫振。導(dǎo)致加工工件的表面質(zhì)量惡化和幾何形狀誤差。
1.6 檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差
包括以下幾個(gè)方面:
(1)由于測(cè)量傳感器的制造誤差及其在機(jī)床上的安裝誤差引起的測(cè)量傳感器反饋系統(tǒng)本身的誤差;
(2)由于機(jī)床零件和機(jī)構(gòu)誤差以及在使用中的變形導(dǎo)致測(cè)量傳感器出現(xiàn)的誤差。
1.7 外界干擾誤差
由于環(huán)境和運(yùn)行工況的變化所引起的隨機(jī)誤差。
1.8 其它誤差
如編程和操作錯(cuò)誤帶來(lái)的誤差。
上面的誤差可按照誤差的特點(diǎn)和性質(zhì),歸為兩大類:即系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。
數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)誤差是機(jī)床本身固有的誤差,具有可重復(fù)性。數(shù)控機(jī)床的幾何誤差是其主要組成部分,也具有可重復(fù)性。利用該特性,可對(duì)其進(jìn)行“離線測(cè)量”,可采用“離線檢測(cè)——開(kāi)環(huán)補(bǔ)償”的技術(shù)來(lái)加以修正和補(bǔ)償,使其減小,達(dá)到機(jī)床精度強(qiáng)化的目的。
隨機(jī)誤差具有隨機(jī)性,必須采用“在線檢測(cè)——閉環(huán)補(bǔ)償”的方法來(lái)消除隨機(jī)誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響,該方法對(duì)測(cè)量?jī)x器、測(cè)量環(huán)境要求嚴(yán)格,難于推廣。
2、幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)
針對(duì)誤差的不同類型,實(shí)施誤差補(bǔ)償可分為兩大類。隨機(jī)誤差補(bǔ)償要求“在線測(cè)量”,把誤差檢測(cè)裝置直接安裝在機(jī)床上,在機(jī)床工作的同時(shí),實(shí)時(shí)地測(cè)出相應(yīng)位置的誤差值,用此誤差值實(shí)時(shí)的對(duì)加工指令進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差補(bǔ)償對(duì)機(jī)床的誤差性質(zhì)沒(méi)有要求,能夠同時(shí)對(duì)機(jī)床的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。但需要一整套完整的高精度測(cè)量裝置和其它相關(guān)的設(shè)備成本太高,經(jīng)濟(jì)效益不好。文獻(xiàn)[4] 進(jìn)行了溫度的在線測(cè)量和補(bǔ)償,未能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是用相應(yīng)的儀器預(yù)先對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè),即通過(guò)“離線測(cè)量”得到機(jī)床工作空間指令位置的誤差值, 把它們作為機(jī)床坐標(biāo)的函數(shù)。機(jī)床工作時(shí),根據(jù)加工點(diǎn)的坐標(biāo),調(diào)出相應(yīng)的誤差值以進(jìn)行修正。要求機(jī)床的穩(wěn)定性要好,保證機(jī)床誤差的確定性,以便于修正,經(jīng)補(bǔ)償后的機(jī)床精度取決于機(jī)床的重復(fù)性和環(huán)境條件變化。數(shù)控機(jī)床在正常情況下,重復(fù)精度遠(yuǎn)高于其空間綜合誤差,故系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償可有效的提高機(jī)床的精度,甚至可以提高機(jī)床的精度等級(jí)。迄今為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法有很多,可分為以下幾種方法:
2.1單項(xiàng)誤差合成補(bǔ)償法
這種補(bǔ)償方法是以誤差合成公式為理論依據(jù),首先通過(guò)直接測(cè)量法測(cè)得機(jī)床的各項(xiàng)單項(xiàng)原始誤差值,由誤差合成公式計(jì)算補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的誤差補(bǔ)償。對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行位置誤差測(cè)量的當(dāng)屬Leete, 運(yùn)用三角幾何關(guān)系,推導(dǎo)出了機(jī)床各坐標(biāo)軸誤差的表示方法,沒(méi)有考慮轉(zhuǎn)角的影響。較早進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)膽?yīng)是Hocken教授,針對(duì)型號(hào)Moore 5-Z(1)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),在16小時(shí)內(nèi),測(cè)量了工作空間內(nèi)大量的點(diǎn)的誤差,在此過(guò)程中考慮了溫度的影響,并用最小二乘法對(duì)誤差模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)的位置信號(hào)直接從激光干涉儀獲得,考慮了角度和直線度誤差的影響,獲得比較滿意的結(jié)果。1985年G. Zhang成功的對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了誤差補(bǔ)償。測(cè)量了工作臺(tái)平面度誤差,除在工作臺(tái)邊緣數(shù)值稍大,其它不超過(guò)1μm,驗(yàn)證了剛體假設(shè)的可靠性。使用激光干涉儀和水平儀測(cè)量得的21項(xiàng)誤差,通過(guò)線性坐標(biāo)變換進(jìn)行誤差合成,并實(shí)施了誤差補(bǔ)償。X-Y平面上測(cè)量試驗(yàn)表明,補(bǔ)償前,在所有測(cè)量點(diǎn)中誤差值大于 20μm的點(diǎn)占20%,在補(bǔ)償后,不超過(guò)20%的點(diǎn)的誤差大于2μm,證明精度提高了近10倍。
除了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差補(bǔ)償以外,數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)难芯恳踩〉昧艘欢ǖ某晒�。�?977年Schultschik教授運(yùn)用矢量圖的方法,分析了機(jī)床各部件誤差及其對(duì)幾何精度的影響,奠定了機(jī)床幾何誤差進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。Ferreira和其合作者也對(duì)該方法進(jìn)行了研究,得出了機(jī)床幾何誤差的通用模型,對(duì)單項(xiàng)誤差合成補(bǔ)償法作出了貢獻(xiàn)。J.Ni et al更進(jìn)一步將該方法運(yùn)用于在線的誤差補(bǔ)償,獲得了比較理想的結(jié)果。Chen et al建立了32項(xiàng)誤差模型,其中多余的11項(xiàng)是有關(guān)溫度和機(jī)床原點(diǎn)誤差參數(shù),對(duì)臥式加工中心的補(bǔ)償試驗(yàn)表明,精度提高10倍。Eung-Suk Lea et al幾乎使用了同G. Zhang一樣的測(cè)量方法,對(duì)三坐標(biāo)Bridge port銑床21項(xiàng)誤差進(jìn)行了測(cè)量,運(yùn)用誤差合成法得出了誤差模型,補(bǔ)償后的結(jié)果分別用激光干涉儀和Renishaw的DBB系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn),證明機(jī)床精度得以提升。
2.2誤差直接補(bǔ)償法
這種方法要求精確地測(cè)出機(jī)床空間矢量誤差,補(bǔ)償精度要求越高,測(cè)量精度和測(cè)量的點(diǎn)數(shù)就要求越多,但要詳盡地知道測(cè)量空間任意點(diǎn)的誤差是不可能的,利用插值的方法求得補(bǔ)償點(diǎn)的誤差分量,進(jìn)行誤差修正,該種方法要求建立和補(bǔ)償時(shí)一致的絕對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系。
1981年,Dufour和Groppetti在不同的載荷和溫度條件下,對(duì)機(jī)床工作空間點(diǎn)的誤差進(jìn)行了測(cè)量,構(gòu)成誤差矢量矩陣,獲得機(jī)床誤差信息。將該誤差矩陣存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。類似的研究主要有A.C.Okafor et al,通過(guò)測(cè)量機(jī)床工作空間內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)參考件上多個(gè)點(diǎn)的相對(duì)誤差,以第一個(gè)為基準(zhǔn)點(diǎn),然后換算成絕對(duì)坐標(biāo)誤差,通過(guò)插值的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償,結(jié)果表明精度提高了2~4倍。Hooman則運(yùn)用三維線性(LVTDS)測(cè)量裝置,得到機(jī)床空間27個(gè)點(diǎn)的誤差(分辨率0.25μm,重復(fù)精度1μm),進(jìn)行了類似的工作。進(jìn)一步考慮到溫度的影響,每間隔1.2小時(shí)測(cè)量一次,共測(cè)量8次,對(duì)誤差補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行了有關(guān)溫度系數(shù)的修。這種方法的不足之處是測(cè)量工作量大,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)多。目前,還沒(méi)有完全合適的儀器,也限制了該方法的進(jìn)一步運(yùn)用和發(fā)展。
2.3相對(duì)誤差分解、合成補(bǔ)償法
大多數(shù)誤差測(cè)量方法只是得到了相對(duì)的綜合誤差,據(jù)此可以從中分解得到機(jī)床的單項(xiàng)誤差。進(jìn)一步利用誤差合成的辦法,對(duì)機(jī)床誤差補(bǔ)償是可行的。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究也取得一定進(jìn)展。
2000年美國(guó)Michigan大學(xué)Jun Ni教授指導(dǎo)的博士生Chen Guiquan做了這樣的嘗試,運(yùn)用球桿儀(TBB)對(duì)三軸數(shù)控機(jī)床不同溫度下的幾何誤差進(jìn)行了測(cè)量,建立了快速的溫度預(yù)報(bào)和誤差補(bǔ)償模型,進(jìn)行了誤差補(bǔ)償。Christopher運(yùn)用激光球桿儀(LBB),在30分鐘內(nèi)獲得了機(jī)床的誤差信息,建立了誤差模型, 在9個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi),對(duì)誤差補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行了5次評(píng)價(jià),結(jié)果表明,通過(guò)軟件誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǹ?/p>
以提高機(jī)床的精度,并可保持精度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不變。
誤差合成法,要求測(cè)出機(jī)床各軸的各項(xiàng)原始誤差,比較成熟的測(cè)量方法是激光干涉儀,測(cè)量精度高。用雙頻激光干涉儀進(jìn)行誤差測(cè)量,需時(shí)間長(zhǎng),對(duì)操作人員調(diào)試水平要求高。更主要的是對(duì)誤差測(cè)量環(huán)境要求高,常用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè),不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作。相對(duì)誤差分解、合成補(bǔ)償法,測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單,一次測(cè)量可獲得整個(gè)圓周的數(shù)據(jù)信息,同時(shí)可以滿足機(jī)床精度的檢測(cè)和機(jī)床評(píng)價(jià)。目前也有不少的誤差分解的方法,由于機(jī)床情況各異,難以找到合適的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差分解,并且對(duì)測(cè)量結(jié)果影響相同的原始誤差項(xiàng)不能進(jìn)行分解,也難以推廣應(yīng)用。誤差的直接補(bǔ)償法,一般以標(biāo)準(zhǔn)件為對(duì)照獲得空間矢量誤差,進(jìn)行直接補(bǔ)償,少了中間環(huán)節(jié),更接近機(jī)床的實(shí)用情況。但獲得大量的信息量需要不同的標(biāo)準(zhǔn)件,難以實(shí)現(xiàn),這樣補(bǔ)償精度就受到限制。
在國(guó)內(nèi),許多研究機(jī)構(gòu)與高校近幾年也進(jìn)行了機(jī)床誤差補(bǔ)償方面的研究。1986北京機(jī)床研究所開(kāi)展了機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償研究和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的補(bǔ)償研究。1997 年天津大學(xué)的李書(shū)和等進(jìn)行了機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)慕：蜔嵴`差補(bǔ)償?shù)难芯俊?998年天津大學(xué)的劉又午等采用多體系統(tǒng)建立了機(jī)床的誤差模型,給出了幾何誤差的 22線、14線 、9線激光干涉儀測(cè)量方法,1999年他們還對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償進(jìn)行了全面的研究,取得了可喜的成果。1998年上海交通大學(xué)的楊建國(guó)進(jìn)行了車床熱誤差補(bǔ)償?shù)难芯俊?996到2000年在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,華中科技大學(xué)開(kāi)展了對(duì)數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償以及基于切削力在線辯識(shí)的智能自適應(yīng)控制的研究,取得了一些成果。
綜上所述:進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償,誤差測(cè)量是關(guān)鍵,誤差模型是基礎(chǔ)。通過(guò)誤差的補(bǔ)償,可以有效的提高機(jī)床的精度,為提升我國(guó)制造業(yè)水平作貢獻(xiàn)。
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