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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Ｔ?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(chē)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)。
參考文獻(xiàn)
[1] 倪軍.數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償研究的回顧與展望[J].中國(guó)機(jī)械工程,1997,8(1):29~32.
[2] Ramesh R, Mannan M A, Poo A N. Error compensation in machine tools — a review part I: geometric, cutting-force induced and fixture-dependent errors. International Journal of Machine Tools & Manufacture,2000, 40: 1235~1256.
[3] J. Ni, Study on online identification and forecasting compensatory control of volumetric errors for multiple axis machine tools. PhD dissertation, University of Wisconsin-Madison, 1987.
[4] Ramesh R, Mannan M A, Poo A N. Error compensation in machine tools — a review Part II: thermal errors. International Journal of Machine Tools & Manufacture,2000, 40:1257~1284.
[5] Leete D J. Automatic compensation of alignment error in machine tools. International Journal of
Machine Tool Design and Research,1961,1:293~324.
[6] Hocken R, Simpson, A.J., et at. Three dimensional metrology. Annals of the CIRP, 1977,26(2): 403~408.
[7] Zhang G, Veale R, Charlton T, Borchardt B, Hocken R. Error compensation of coordinate measuring machines. Annals of the CIRP, 1985,34 (1): 445~448 .
[8] Schultschik R. The components of the volumetric accuracy. Annals of the CIRP ,1977,25(1):223~228.
[9] Kiridena V, Ferrira P. Kinematic modeling of quasi-static errors of three-axis machine centers. Int. J. Mach. Tools Manufact.,1994,34(1):85~100.
[10] Ni J. and S. M. Wu. An on-line measurement technique for machine volumetric error compensation. Journal of engineering for industry, 1993, 115: 85~92.
[11] Chen J S, Yuan J, Ni J, Wu S M. Real-time compensation for time-variant volumetric errors on a machining center, Transactions of the ASME, journal of Engineering Industry,1993, 115:472~479.
[12] Eung-Suk Lee,Suk-Hwan Suh and Jin-Wook Shon. A comprehensive method for calibration of volumetric positioning accuracy of cnc-machines. Advanced manufacturing technology, 1998,14(1): 43~49.
[13] Dufour P, Groppetti R. Computer aided accuracy improvement in larger NC machine tools. M.T.D.R. Conference Proceedings,1988,22:611~618.
[14] A.C.Okafor, Yalcin M.Ertekin. Derivation of machine tool error models and error compensation procedure for three axes vertical machining center using rigid body kinematics. International Journal of Machine Tools and Manufacturing, 2000, 40:1199~1213.
[15] Hooman Tajbakhsh, Zainul Abadin and Placid M. Ferreira. L∞ Parameter estimates for volumetric error in models of machine tools. Precision Engineering, 1997
, 20 :179~187.
[16] Chen Guiquan. Rapid volumetric error mapping and compensation for a three-axis machine center. Ph.D. thesis, Michigen University, USA, 2000.
[17] Christopher D. Mize and John C. Ziegert. Durability evaluation of software error correction on a machine center. International Journal of Machine Tools and Manufacturing, 2000, 40:1527~1534.
[18] 李書(shū)和.數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)难芯縖D]. 天津:天津大學(xué),1996.
[19] 廖平蘭.機(jī)床加工過(guò)程宗合誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1992,28(2):65~68.
[20] 李書(shū)和,張奕群,楊世民,張國(guó)雄.多軸機(jī)床空間誤差的一般模型[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),1997,18(4):364~372.
[21] 楊建國(guó),薛秉源.CNC車(chē)削中心熱誤差模態(tài)分析及魯棒建模[J].中國(guó)機(jī)械工程,1998,9(5):31~35.
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