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数控机床误差补偿技术应用发展动态及展望

发布时间:2019-09-22 18:55

  摘 要:阐述了数控机床误差的种类,研究了数控机床误差建模分析技术和误差参数的测量技术,分析了误差补偿实施策略、发展和应用,希望可以提高数控机床的定位精度。

  关键词:数控机床;误差补偿技术

  中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:2095- 0748(2019)08- 0084- 02

  1 数控机床误差的种类

  空间误差,常由机床系统产生。主要指工件在相应的作用点由于热误差、结构几何还有承载变形等误差的存在造成与刀具产生了相对的位置偏差;同时还有检测过程中,由进给传动机制和伺服系统跟踪等产生位移上的误差。位置误差常由刀具、工件以及夹具系统产生。关于刀具系统引起的位置误差,常常是因为刀具在尺寸调整时、换刀过程、刀具受力变形、受热伸长以及在经过长期的磨损后造成的。至于工件及夹具系统,由其产生的误差大多数是由装夹弹力变形以及热变形,也有因工件所采用的材质本身不均这些随机误差引起的误差。关于检测系统,检测时也会产生误差,常叫做测试误差,往往指在加工过程中实时检测以及在机检测会产生误差。随机误差还包含因外界环境干扰产生的误差,主要是指运行时整个机床的工作状况及环境扰动误差[1]。

  2 数控机床误差建模分析技术

  数控机床的误差计算模型建立是实现误差自动补偿技术的关键步骤之一。在建立相关的计算误差模型后,可在误差计算模型的展示下,实现误差的精确补偿。其中数控机床的误差模型又主要有几何误差计算模型,热变形误差计算模型以及承载变形误差计算模型[2]。

  2.1 几何误差计算模型的建立

  数控机床是由多个零部件组成的。各个零部件在铸造以及安装的时候都存在着误差,尤其当数控机床在正常工作的过程当中,由于部分零部件沿导轨做相应的运动,从而产生相应的六个自由度误差, 这些误差由于机床的运作传递以及变换构成几何误差。

  几何误差计算模型的建立主要是通过设计一个人机交互良好的软件,利用计算及强大的建模能力,实现数控机床快速准确的建模分析。其主要的建模过程是通过相应的编程软件,将数控机床的拓扑结构以及相应的运动参数输入,确定理想的运动特征矩阵。再单独输入的零部件误差加入后,数控机床的拓扑结构以及相应的运动参数做对比。确立相应的几何误差计算模型,在由计算机对几何误差计算模型进行分析,得到我们想要的结果[31]。

  2.2 热变形误差计算模型分析

  数控机床在正常的工作时,由于受周围环境温度的影响以及自身工作时所散发出热量的影响会对机床的零部件运动轨迹以及自身材料属性有着轻微的改变。这就是数控机床的热变形误差,也是数控机床的误差补偿难点之一[4]。

  分析建立热变形误差计算模型的方法主要为经验计算法以及数值计算法。经验计算法主要是由熟悉数控机床的工人通过对机床的主要发热以及受热零部件的温度进行测定。确定零部件的温度分布情况以及变化情况,确定热源以及周边受热发生变形零部件的位置,再针对性地做出补偿。此方法的局限性较大,且操作难度较高。数值计算法则通过有限元的分析,确定机床的温度场以及相应的变形床。通过有限元分析得到的结果精确,但由于分析的时间较长,不能实时进行补偿[5]。

  经验计算法主要是由熟悉数控机床的工人通过对机床的主要发热以及受热的零部件的温度进行测定。确定零部件的温度分布情况以及变化情况,确定热源以及周边受热发生变形零部件的位置,再针对性地做出补偿。此方法的局限性较大,且操作难度较高。数值计算法则通过有限元的分析,确定机床的温度场以及相应的变形床。通过有限元分析得到的结果精确,但由于分析的时间较长,不能实时进行补偿。

  2.3 承载变形误差计算模型分析

  建立承载变形误差计算模型:载荷误差一般存在于大型、重型机床上,如镗铣床滑枕悬臂的下垂形变,以及龙门铣床主轴箱移动所引起的横梁变形等。其建立方法有以下两种:一是测量计算对关键点受力发生的应变,以此数据建立相关的变形量模型,这种方法适合应用于机床主要承受静载荷的时候,其补偿量可高达 80%。二是通过在机床上承受力的关键零部件安装相应的传感器,对机床的变形进行实时监控,通过线检测的方法确定机床的结构变形量, 并进行补偿。

  3 误差参数的测量技术

  机床工作时,测量确定其误差参数需要通过建立相关的误差模型,这是最为关键的一个步骤。以下将对几何误差的测量方法进行探讨。

  3.1 单项误差直接测量法

  测量仪器在选取时要结合机床的具体运行情况,合适的测量仪就可测量机床的许多项几何误差。就以三坐标的运动机床为例子,其 18 项误差就可以直接由双频激光干涉仪测得,电子水平仪,可把剩下的 3 项转角误差测得。关于回转精度的测量,可追溯到 20 世纪 90 年代,精密测量回转轴旋转角度的问题由此就已经成功得以解决。

  3.2 综合误差测量参数辨识法

  传感器在数控上的使用,使得机床在工作前后的空间位置可以被精确测量。并通过数学辨识模型来建立误差前后对比分析表,此法对测量仪器要求低,且精度高,操作方便。

  4 误差补偿实施策略

  近年来,众多数控机床选用螺距补偿来作为误差补偿的方法,它可以对机床零部件在工作时,在运动方向上对所产生的部分定位误差进行补偿。关于直线度补偿这一功能,当高档数控系统在上世纪研制出时,就已经具备了。机床系统的几何误差以及由承载变形和热变形引起的误差,这些参数都有方向应的误差补偿器因此分为前馈补偿型、NC 型和反馈修正型。以下以 NC 型为例,讨论其原理以及类型。

  4.1 NC 型误差补偿

  被 NC 系统处理过后的加工指令,在控制坐标轴运行时常采取的是脉冲当量的形式,其补偿过程的误差值在经由误差模型算得后, 取误差值的相反数,再将这个相反数添加到插补过程,坐标轴误差从这得到补偿,进而实现精确的控制。

  4.2 NC 型误差补偿的分类

  NC 型方法可以进一步划为两类,一种是将初始加工代码通过一定的转换程序,使其变为在经过误差补偿计算后得到具有预补偿功能的数控加工代码。另一种是通过在原始的代码实现命令后,通过误差补偿模型对零部件的空间误差计算,在把误差计算结果反馈到 NC 控制系统中,误差再被 NC系统反向地叠加应用到程序中,以此实现精确控制的目的。

  5 误差补偿的应用和发展

  在 CMM 上,误差补偿技术已经被较为广泛的应用。ZEISS 公司(德国)采用该技术后,其产品精度最终提高了 40%。美国和意大利的一些知名公司如DEA 以及国内的众多厂家也采用这项技术来提到其产品精度。但对于数控加工机床而言,由于其工况相对复杂,操作环境较为恶劣。除此之外,还需对应来实时补偿空间轨迹,因数控系统参数多变性和封闭性,这项技术现在还处在尝试期。但是,随着技术不断发展,大量新型人才投入创新行业开发,新型开放型数控系统机床也在逐渐推广、普及。关于 NC 型补偿,也会在不断地革新中变得更为便于操作,且实用。从当前发展以及这项技术的发展看来,误差补偿技术发展前景十分可观。

  至于导轨的俯仰、偏摆误差还有倾斜误差,这些参数能比例放大,因此,不能用固定的直线度或者说螺距补偿来达到误差补偿。现有的数控机床主要为伺服驱动、NC 控制和反馈检测系统,它们各自相对②继电器规格选择是否正确 继电器规格选择错误,以致输入电压和继电器工作电压不匹配、继电器线圈不动作气自动化系统中扮演的角色也越来越重要。在夏天雨季期间,由于经常性的降水,动力室难免会出现雨水倒灌或水箱漏水的情况。自动排水系统由于需要频繁地启停排水泵,继电器需要经常性的动作,很容易造成接点磨损和线圈老化现象,因此在平时的使用维护过程中,应随时检查继电器触点磨损、氧化、腐蚀老化程度,线圈有无发热变色等情况,提前预判,提前做好维护准备,并根据使用年限,定期进行继电器的更换,保证控制回路的安全、稳定、可靠、连续的运行,进而为任何复杂的控制系统保驾护航。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/gc/sk/4110.html

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