锯床技术

[锯床液压系统压力不稳定或不足]数控机床的几何误差和补偿方法研究

日期:2019-06-20 10:27:27
有两种方法可以提高机器的准确性。一种方法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来源,即错误预防。一方面,该方法主要受加工机精度的限制,另一方面,零件质量的提高导致加工成本的增加,因此该方法的使用受到限制。另一种类型的误差补偿方法(误差补偿)通常通过修改机床的加工指令来补偿机床,以实现理想的运动轨迹并实现机床精度的软升级。研究表明,几何误差和温度引起的误差约占整个机器误差的70%,几何误差相对稳定且容易出错。补偿数控机床的几何误差可以提高整个机械工业的加工水平,对推动科技进步,提高中国国防能力,大力提升中国综合国力具有重要意义。 1几何误差的原因 一般认为,数控机床的几何误差是由以下原因引起的: 1.1机床的原始制造误差 它是指由机床各部件工作面的几何形状,表面质量和位置误差引起的机床运动误差,这是数控机床几何误差的主要原因。 1.2机器控制系统错误 包括机床轴的伺服误差(轮廓跟随误差),CNC插补算法误差。 1.3热变形误差 由机床内部热源和环境热扰动引起的机械结构热变形引起的误差。 1.4由切削负荷引起的加工系统变形引起的误差 这包括由机床,工具,工件和夹具变形引起的误差。这种类型的误差也称为“刀”,它会导致加工零件形状的扭曲,特别是在加工薄壁工件或使用细长工具时。 1.5机床振动误差 在加工过程中,由于工艺的灵活性和工艺的变化,数控机床更有可能落入不稳定区域,从而引起强烈的颤动。这导致加工工件的表面质量劣化和几何误差。 1.6测试系统测试错误 包括以下几个方面: (1)由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差,测量传感器反馈系统本身的误差; (2)由于机器部件和机械误差以及使用过程中的变形导致的测量传感器的误差。 1.7外部干扰错误 由于环境和操作条件的变化导致的随机错误。 1.8其他错误 编程和操作错误导致的错误。 根据错误的特征和性质,上述错误可分为两类:系统错误和随机错误。 数控机床的系统误差本质上是机床的误差并且是可重复的。数控机床的几何误差是一个主要组成部分,也是可重复的。有了这个功能,它可以进行“离线测量”,并可以通过“离线检测——开环补偿”技术进行校正和补偿,以减少它并达到机器精度增强的目的。 随机错误是随机的。必须使用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机器加工精度的影响。该方法对测量仪器和测量环境严格,难以推广。 2几何误差补偿技术 对于不同类型的错误,错误补偿的实现可以分为两类。随机误差补偿需要“在线测量”,并且误差检测装置直接安装在机床上。当机床工作时,实时测量相应位置的误差值,并使用误差值实时校正加工指令。随机误差补偿对机床的误差性质没有要求,可以同时补偿机床的随机误差和系统误差。但是,需要一套完整的高精度测量装置和其他相关设备,这种设备成本太高,经济效益低。文献[4]进行了在线测量和温度补偿,但未能达到实际应用。系统误差补偿是用相应的仪器预先检测机床,即通过“离线测量”获得机床空间指令位置的误差值,该“离线测量”用作机床坐标的函数。当机器工作时,根据加工点的坐标,调用相应的误差值进行校正。机床的稳定性要求良好,保证机床误差的确定性有利于校正。补偿机床的精度取决于机床的可重复性和环境条件的变化。在正常情况下,数控机床的可重复性远高于空间综合误差。因此,系统误差的补偿可以有效地提高机床的精度,甚至提高机床的精度水平。到目前为止,国内外有很多补偿系统误差的方法,可分为以下几种方法: 2.1单项误差综合补偿方法 该补偿方法基于误差合成公式。首先,通过直接测量方法测量机床的单个原始误差值,并通过误差合成公式计算补偿点的误差分量,从而实现机床的误差补偿。坐标测量机的位置误差测量属于Leete。使用三角形几何关系,导出机床坐标轴的表示方法,并且不考虑拐角的影响。早期的错误补偿由Hocken教授提供。对于协调器模型Moore5-Z(1),在16小时内测量工作空间中的大量点的误差,并且在该过程中考虑温度的影响。误差模型参数通过最小二乘法识别。由于直接从激光干涉仪获得机床运动的位置信号,因此考虑了角度和直线度误差的影响,并且获得了令人满意的结果。 1985年,G.Zhang成功补偿了坐标测量机。测量表的平直度误差,除了表边缘的值略大,其他值不超过1μm,这证实了刚体假设的可靠性。使用激光干涉仪测量21个误差,并通过线性坐标变换进行水平,误差合成,并实施误差补偿。 X-Y平面上的测量表明,在补偿之前,在所有测量点处误差值大于20μm的点占20%。补偿后,不超过20%的误差大于2μm,证明精度提高了近10倍。 除了坐标测量机的误差补偿外,对数控机床误差补偿的研究也取得了一定的成果。 1977年,Schultschik教授使用矢量图方法分析了机床各部分的误差及其对几何精度的影响,为进一步研究机床几何误差奠定了基础。 Ferreira和他的合作者也研究了这种方法并得出了机器几何误差的一般模型,这有助于单误差综合补偿方法。 J. Nietal进一步将该方法应用于在线误差补偿并获得理想的结果。 Chenetal建立了32个误差模型,其余11个项目与温度和机床原点误差参数有关。卧式加工中心的补偿测试表明精度提高了10倍。 Eung-SukLeaetal几乎使用与G.Zhang相同的测量方法。测量了三轴Bridgeport铣床的21个误差。通过误差合成获得误差模型。补偿结果分别为激光干涉仪和雷尼绍DBB。测试该系统以证明机器精度得到改善。 2.2误差直接补偿方法 该方法需要精确测量机床的空间矢量误差。补偿精度要求越高,测量精度和测量点数越多,但是不可能详细地知道测量空间中任何点的误差,并且使用插值方法。获得补偿点的误差分量并执行误差校正。该方法需要与补偿一致的绝对测量坐标系。 1981年,Dufour和Groppetti测量了机器在不同负载和温度条件下工作空间点的误差,形成误差向量矩阵,以获得机器误差信息。误差矩阵存储在计算机中以进行误差补偿。类似的研究主要包括ACOkaforetal。通过测量机床工作空间中标准参考件上多个点的相对误差,将第一个点用作参考点,然后转换为绝对坐标误差,并通过插值法进行误差补偿。它表明精度提高了2到4倍。 Hooman使用三维线性(LVTDS)测量设备在机器空间中获得27点误差(分辨率0.25μm,重复性1μm),并且执行了类似的工作。考虑到温度的影响,每1.2小时进行一次测量,并且总测量进行8次。针对误差补偿结果校正温度补偿系数。该方法的缺点是测量工作量大且存储数据。目前,还没有完全合适的仪器,这限制了该方法的进一步应用和发展。 2.3相对误差分解,综合补偿方法 大多数误差测量方法仅获得相对全面的误差,从中可以分解机床的单项误差。进一步使用误差合成方法对于机床误差补偿是可行的。目前,国内外对这方面的研究也取得了一些进展。 2000年,由美国密歇根大学JunNi教授指导的博士生ChenGuiquan试图用球杆仪(TBB)测量三轴数控机床在不同温度下的几何误差,建立了快速的温度预测和误差补偿模型。进行了误差补偿。使用激光球杆(LBB),克里斯托弗在30分钟内获得了机器的误差信息,建立了误差模型,并在9个月的间隔内评估了误差补偿结果五次。结果表明该软件通过了该软件。误差补偿方法可以提高机床的精度,并保持精度长时间不变。 误差合成方法需要测量机床各轴的原始误差。更成熟的测量方法是激光干涉仪,测量精度高。使用双频激光干涉仪进行误差测量需要很长时间,并且需要对操作员进行高水平的调试。更重要的是,它需要高误差测量环境,并且经常用于CMM的检测。它不适合现场操作。相对误差分解,综合补偿方法,测量方法比较简单,一次测量即可获得整个圆周的数据信息,并能满足机床精度检测和机床评估。目前,还有许多错误分解方法。由于机器条件的不同,很难找到合适的误差分解通用数学模型,对测量结果影响相同的原始误差项不能分解,难以推广应用。误差直接补偿法一般通过比较标准件得到空间矢量误差,并进行直接补偿,减少了中间环节,更接近机床的实际情况。然而,获得大量信息需要不同的标准部件,这难以实现,因此补偿精度受到限制。 在中国,许多研究机构和大学近年来也对机床误差补偿进行了研究。 1986年,北京机床研究所开展了机床热误差补偿和坐标测量机补偿的研究。 1997年,天津大学李书和对机床误差补偿的建模和热误差补偿进行了研究。 1998年,天津大学刘友武利用多体系统建立了机床误差模型,并给出了22,14和9线激光干涉仪测量几何误差的方法。 1999年,他们还对数控机床进行了误差补偿。综合研究取得了可喜的成果。 1998年,上海交通大学杨建国对车床热误差补偿进行了研究。 1996年至2000年,在国家自然科学基金和国家863计划的支持下,华中科技大学基于在线识别切削力,开展了数控机床几何误差补偿和智能自适应控制研究。并取得了一些成果。
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