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摘 要: 本文对数控机床几何误差产生的原因作了比较详细的分析,对系统误差的补偿方法进行了归纳,并在此基础上阐述了各类误差补偿方法的应用场合,为进一步实现机床精度的软升级打下基础。
关键词: 数控机床 几何误差 补偿方法
提高机床精度有两种方法。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)。该方法一方面主要受到加工母机精度的制约,另一方面零件质量的提高导致加工成本膨胀,致使该方法的使用受到一定限制。另一种叫误差补偿法(error compensation),通常通过修改机床的加工指令,对机床进行误差补偿,达到理想的运动轨迹,实现机床精度的软升级。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%,其中几何误差相对稳定,易于进行误差补偿。对数控机床几何误差的补偿,可以提高整个机械工业的加工水平,对促进科学技术进步,提高我国国防能力,继而极大增强我国的综合国力都具有重大意义。
1.几何误差产生的原因
普遍认为数控机床的几何误差由以下几方面原因引起:
1.1机床的原始制造误差
是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差,是数控机床几何误差产生的主要原因。
1.2机床的控制系统误差
包括机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差),数控插补算法误差。
1.3热变形误差
由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。
1.4切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差
包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又称为“让刀”,它造成加工零件的形状畸变,尤其当加工薄壁工件或使用细长刀具时,这一误差更为严重。
1.5机床的振动误差
在切削加工时,数控机床由于工艺的柔性和工序的多变,其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振。导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
1.6检测系统的测试误差
包括以下几个方面:
1.6.1由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差;
1.6.2由于机床零件和机构誤差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。
1.7外界干扰误差
由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
1.8其他误差
如编程和操作错误带来的误差。
上面的误差可按照误差的特点和性质,归为两大类:即系统误差和随机误差。
数控机床的系统误差是机床本身固有的误差,具有可重复性。数控机床的几何误差是其主要组成部分,也具有可重复性。利用该特性,可对其进行“离线测量”,可采用“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿,使其减小,达到机床精度强化的目的。
随机误差具有随机性,必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响,该方法对测量仪器、测量环境要求严格,难于推广。
2.几何误差补偿技术
针对误差的不同类型,实施误差补偿可分为两大类。随机误差补偿要求“在线测量”,把误差检测装置直接安装在机床上,在机床工作的同时,实时地测出相应位置的误差值,用此误差值实时地对加工指令进行修正。随机误差补偿对机床的误差性质没有要求,能够同时对机床的随机误差和系统误差进行补偿。但需要一整套完整的高精度测量装置和其他相关的设备,成本太高,经济效益不好。系统误差补偿是用相应的仪器预先对机床进行检测,即通过“离线测量”得到机床工作空间指令位置的误差值,把它们作为机床坐标的函数。机床工作时,根据加工点的坐标,调出相应的误差值以进行修正。要求机床的稳定性要好,保证机床误差的确定性,以便于修正,经补偿后的机床精度取决于机床的重复性和环境条件变化。数控机床在正常情况下,重复精度远高于其空间综合误差,故系统误差的补偿可有效地提高机床的精度,甚至可以提高机床的精度等级。迄今为止,国内外对系统误差的补偿方法有很多。
2000年美国Michigan大学Jun Ni教授指导的博士生Chen Guiquan做了这样的尝试,运用球杆仪(TBB)对三轴数控机床不同温度下的几何误差进行了测量,建立了快速的温度预报和误差补偿模型,进行了误差补偿。Christopher运用激光球杆仪(LBB),在30分钟内获得了机床的误差信息,建立了误差模型,在9个月的时间间隔内,对误差补偿结果进行了5次评价,结果表明,通过软件误差补偿的方法可以提高机床的精度,并可保持精度在较长时间内不变。
在国内,许多研究机构与高校近几年也进行了机床误差补偿方面的研究。1986北京机床研究所开展了机床热误差的补偿研究和坐标测量机的补偿研究。1997年天津大学的李书和等进行了机床误差补偿的建模和热误差补偿的研究。1998年天津大学的刘又午等采用多体系统建立了机床的误差模型,给出了几何误差的22线、14线、9线激光干涉仪测量方法,1999年他们还对数控机床的误差补偿进行了全面的研究,取得了可喜的成果。1998年上海交通大学的杨建国进行了车床热误差补偿的研究。1996到2000年在国家自然科学基金和国家863计划项目的支持下,华中科技大学开展了对数控机床几何误差补偿以及基于切削力在线辨识的智能自适应控制的研究,取得了一些成果。
进行数控机床的误差补偿,误差测量是关键,误差模型是基础。通过误差的补偿,可以有效地提高机床的精度,为提升我国制造业水平作贡献。
参考文献:
[1]倪军.数控机床误差补偿研究的回顾与展望[J].中国机械工程,1997,8(1):29—32.
[2]李书和.数控机床误差补偿的研究[D].天津:天津大学,1996.
[3]廖平兰.机床加工过程宗合误差实时补偿技术[J].机械工程学报,1992,28(2):65—68.
[4]李书和,张奕群,杨世民,张国雄.多轴机床空间误差的一般模型[J].仪器仪表学报,1997,18(4):364—372.
[5]杨建国,薛秉源.CNC车削中心热误差模态分析及鲁棒建模[J].中国机械工程,1998,9(5):31—35.
关键词: 数控机床 几何误差 补偿方法
提高机床精度有两种方法。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)。该方法一方面主要受到加工母机精度的制约,另一方面零件质量的提高导致加工成本膨胀,致使该方法的使用受到一定限制。另一种叫误差补偿法(error compensation),通常通过修改机床的加工指令,对机床进行误差补偿,达到理想的运动轨迹,实现机床精度的软升级。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%,其中几何误差相对稳定,易于进行误差补偿。对数控机床几何误差的补偿,可以提高整个机械工业的加工水平,对促进科学技术进步,提高我国国防能力,继而极大增强我国的综合国力都具有重大意义。
1.几何误差产生的原因
普遍认为数控机床的几何误差由以下几方面原因引起:
1.1机床的原始制造误差
是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差,是数控机床几何误差产生的主要原因。
1.2机床的控制系统误差
包括机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差),数控插补算法误差。
1.3热变形误差
由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。
1.4切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差
包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又称为“让刀”,它造成加工零件的形状畸变,尤其当加工薄壁工件或使用细长刀具时,这一误差更为严重。
1.5机床的振动误差
在切削加工时,数控机床由于工艺的柔性和工序的多变,其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振。导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
1.6检测系统的测试误差
包括以下几个方面:
1.6.1由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差;
1.6.2由于机床零件和机构誤差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。
1.7外界干扰误差
由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
1.8其他误差
如编程和操作错误带来的误差。
上面的误差可按照误差的特点和性质,归为两大类:即系统误差和随机误差。
数控机床的系统误差是机床本身固有的误差,具有可重复性。数控机床的几何误差是其主要组成部分,也具有可重复性。利用该特性,可对其进行“离线测量”,可采用“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿,使其减小,达到机床精度强化的目的。
随机误差具有随机性,必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响,该方法对测量仪器、测量环境要求严格,难于推广。
2.几何误差补偿技术
针对误差的不同类型,实施误差补偿可分为两大类。随机误差补偿要求“在线测量”,把误差检测装置直接安装在机床上,在机床工作的同时,实时地测出相应位置的误差值,用此误差值实时地对加工指令进行修正。随机误差补偿对机床的误差性质没有要求,能够同时对机床的随机误差和系统误差进行补偿。但需要一整套完整的高精度测量装置和其他相关的设备,成本太高,经济效益不好。系统误差补偿是用相应的仪器预先对机床进行检测,即通过“离线测量”得到机床工作空间指令位置的误差值,把它们作为机床坐标的函数。机床工作时,根据加工点的坐标,调出相应的误差值以进行修正。要求机床的稳定性要好,保证机床误差的确定性,以便于修正,经补偿后的机床精度取决于机床的重复性和环境条件变化。数控机床在正常情况下,重复精度远高于其空间综合误差,故系统误差的补偿可有效地提高机床的精度,甚至可以提高机床的精度等级。迄今为止,国内外对系统误差的补偿方法有很多。
2000年美国Michigan大学Jun Ni教授指导的博士生Chen Guiquan做了这样的尝试,运用球杆仪(TBB)对三轴数控机床不同温度下的几何误差进行了测量,建立了快速的温度预报和误差补偿模型,进行了误差补偿。Christopher运用激光球杆仪(LBB),在30分钟内获得了机床的误差信息,建立了误差模型,在9个月的时间间隔内,对误差补偿结果进行了5次评价,结果表明,通过软件误差补偿的方法可以提高机床的精度,并可保持精度在较长时间内不变。
在国内,许多研究机构与高校近几年也进行了机床误差补偿方面的研究。1986北京机床研究所开展了机床热误差的补偿研究和坐标测量机的补偿研究。1997年天津大学的李书和等进行了机床误差补偿的建模和热误差补偿的研究。1998年天津大学的刘又午等采用多体系统建立了机床的误差模型,给出了几何误差的22线、14线、9线激光干涉仪测量方法,1999年他们还对数控机床的误差补偿进行了全面的研究,取得了可喜的成果。1998年上海交通大学的杨建国进行了车床热误差补偿的研究。1996到2000年在国家自然科学基金和国家863计划项目的支持下,华中科技大学开展了对数控机床几何误差补偿以及基于切削力在线辨识的智能自适应控制的研究,取得了一些成果。
进行数控机床的误差补偿,误差测量是关键,误差模型是基础。通过误差的补偿,可以有效地提高机床的精度,为提升我国制造业水平作贡献。
参考文献:
[1]倪军.数控机床误差补偿研究的回顾与展望[J].中国机械工程,1997,8(1):29—32.
[2]李书和.数控机床误差补偿的研究[D].天津:天津大学,1996.
[3]廖平兰.机床加工过程宗合误差实时补偿技术[J].机械工程学报,1992,28(2):65—68.
[4]李书和,张奕群,杨世民,张国雄.多轴机床空间误差的一般模型[J].仪器仪表学报,1997,18(4):364—372.
[5]杨建国,薛秉源.CNC车削中心热误差模态分析及鲁棒建模[J].中国机械工程,1998,9(5):31—35.