激光測(cè)試技術(shù)下數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償?shù)奶骄?/h1>
2017-03-19 21:11:51韓輝輝
科學(xué)與財(cái)富 2017年6期
韓輝輝
摘 要：為提高數(shù)控機(jī)床精度，誤差補(bǔ)償方法得到了廣泛的應(yīng)用。而使用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行機(jī)床誤差識(shí)別和補(bǔ)償，則能完成各種誤差的有效識(shí)別，從而使機(jī)床的精度得到有效提高。基于這種認(rèn)識(shí)，本文對(duì)激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行介紹，然后對(duì)該技術(shù)下的數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償問題展開了探究，以期為關(guān)注這一話題的人們提供參考。
關(guān)鍵詞：激光測(cè)試技術(shù)；數(shù)控機(jī)床誤差；識(shí)別；補(bǔ)償
引言：在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械零件加工的過程中，機(jī)床自身誤差將對(duì)加工精度產(chǎn)生較大影響。為解決這一問題，各種誤差補(bǔ)償方法逐漸被人們提出。而應(yīng)用激光測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，則能使數(shù)控加工精度得到顯著提高。因此，相關(guān)人員還應(yīng)加強(qiáng)該種誤差補(bǔ)償方法的研究，以便更好的促進(jìn)數(shù)控加工行業(yè)的發(fā)展。
1激光測(cè)試技術(shù)原理
所謂的激光測(cè)試技術(shù)，實(shí)際就是應(yīng)用激光干涉儀進(jìn)行位置測(cè)量的一種技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)，其實(shí)就是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)，能夠通過檢測(cè)頻差完成位置的測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，可以利用激光器進(jìn)行兩束振幅相同但頻率不同的左右圓偏振光的發(fā)射。而經(jīng)過λ/4片后，這些偏振光就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)方向垂直的線偏振光。利用分光器，則能完成部分光束的反射。反射的光束經(jīng)過檢偏器，則可以形成兩個(gè)頻率的信號(hào)。在接收器完成信號(hào)接收后，另一部分光束會(huì)通過分光器進(jìn)入偏振分光器。其中，與分光面平行的光束會(huì)完全通過，并到達(dá)可動(dòng)反射鏡。而由反射鏡發(fā)射回的光束會(huì)經(jīng)過偏振分光器，然后與分光面匯合。經(jīng)過轉(zhuǎn)向棱鏡的偏振器，則會(huì)被接收器接收。將測(cè)量得到的信號(hào)與參考信號(hào)相比較，則能夠得到多普率頻差，然后進(jìn)行位置計(jì)算。
2激光測(cè)試技術(shù)下數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償
2.1數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析
應(yīng)用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量，還應(yīng)將機(jī)床假設(shè)為剛體模型，以簡(jiǎn)化其運(yùn)動(dòng)分析過程。結(jié)合數(shù)控機(jī)床實(shí)際工作特點(diǎn)，可知機(jī)床由封閉運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成，在切削點(diǎn)有兩個(gè)開環(huán)。而數(shù)控機(jī)床的機(jī)座需要分別在兩個(gè)環(huán)的末端進(jìn)行刀具和工件的支撐，所以可以利用多剛體間位姿關(guān)系表示刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)[1]。假設(shè)運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)有兩組剛體，并且每個(gè)剛體上有一個(gè)基點(diǎn)，還要進(jìn)行各基點(diǎn)坐標(biāo)系的設(shè)置，然后利用參考坐標(biāo)系進(jìn)行各坐標(biāo)系間位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣的求取，從而完成兩個(gè)剛體的位姿關(guān)系分析。
2.2機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差建模
在實(shí)際進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差分析時(shí)，還應(yīng)明確機(jī)床組件運(yùn)動(dòng)誤差由桿件本身形狀尺寸誤差和運(yùn)動(dòng)副誤差和構(gòu)成。利用奇次坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)變換和平移變換，則可以進(jìn)行這兩種誤差的表示。假設(shè)誤差產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)為無限小的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)，則可以進(jìn)行誤差的線性疊加。在兩個(gè)誤差的坐標(biāo)系間，存在T這一理想轉(zhuǎn)換矩陣，相應(yīng)的誤差運(yùn)動(dòng)則為WT，所以實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差矩陣Tα=T+WT。沿著x，y，z軸的平動(dòng)誤差可分別設(shè)為Wx，Wy，Wz，刀具切削點(diǎn)在工件坐標(biāo)系為Tw=（xw，yw，zw，1）T，則切削點(diǎn)誤差矢量為△W=（△Wx，△Wy，△Wz，1）T。
2.3機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差識(shí)別
在實(shí)際進(jìn)行數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差識(shí)別時(shí)，還應(yīng)先明確影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的幾何誤差參數(shù)的組成。以三軸數(shù)控機(jī)床為例，影響其運(yùn)動(dòng)精度的幾何誤差參數(shù)多達(dá)21項(xiàng)，如y軸對(duì)x軸的垂直度誤差等。利用激光測(cè)試技術(shù)，可以完成絕大多數(shù)誤差的直接測(cè)量。在這些誤差中，在其它誤差參數(shù)已知的條件下，對(duì)角線坐標(biāo)誤差△y和△z將隨著水平軸和垂直軸的誤差參數(shù)變化而變化。在yz平面內(nèi)沿著直線測(cè)量，則能夠得到該平面內(nèi)保持有適當(dāng)間距的兩條平行對(duì)角線的位移誤差。采取該種方法，也能完成其他誤差的測(cè)量，如直線度誤差、位移誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)誤差等。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要利用三腳架支撐設(shè)備的光源，并在預(yù)熱20min后進(jìn)行光源對(duì)正，以確保光路與測(cè)量運(yùn)動(dòng)軸保持平行[2]。在此基礎(chǔ)上，需進(jìn)行反射鏡和干涉鏡的安裝，然后使機(jī)床歸零，并完成數(shù)據(jù)采集點(diǎn)坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)循環(huán)次數(shù)的設(shè)置，設(shè)備就可以自行完成誤差測(cè)量。
2.4機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償
完成誤差識(shí)別后，可以利用“華中I型”數(shù)控系統(tǒng)的三軸立式加工中心進(jìn)行誤差補(bǔ)償試驗(yàn)。而利用激光測(cè)試技術(shù)識(shí)別的誤差會(huì)以文件形式存入計(jì)算機(jī)，所以可以直接利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差模型計(jì)算編程子程序的調(diào)用，從而進(jìn)行各運(yùn)動(dòng)軸在目標(biāo)點(diǎn)誤差的預(yù)報(bào)。在這一過程中，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，即每8ms進(jìn)行一次中斷，然后利用子程序進(jìn)行控制指令修正，并利用修正得到的指令進(jìn)行機(jī)床各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的同時(shí)控制，繼而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誤差的聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償[3]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別和補(bǔ)償，能夠改善機(jī)床圓周運(yùn)動(dòng)軌跡的不圓度，并且提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)傾斜直線的位移精度。此外，系統(tǒng)的誤差的70%能夠得到減小，因此使用該方法能夠獲得顯著的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償效果。
結(jié)論：通過研究可以發(fā)現(xiàn)，使用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別，能夠利用對(duì)角線位移測(cè)量方法使機(jī)床誤差測(cè)量問題得到解決，并且完成全部參數(shù)誤差的測(cè)量。而使用該技術(shù)進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，則能使機(jī)床的加工精度得到有效提高，并且通過刷新誤差參數(shù)表再現(xiàn)機(jī)床精度。因此，相信本文對(duì)激光測(cè)試技術(shù)下數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償方法展開的研究，可以為相關(guān)工作的開展帶來啟示。
參考文獻(xiàn)
[1]朱嘉，李醒飛，譚文斌等.基于激光干涉儀的測(cè)量機(jī)幾何誤差檢定技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，10：25-30.
[2]孫克，沈興全.激光干涉儀在數(shù)控機(jī)床幾何誤差檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2010，01：100-103.
[3]楊拴強(qiáng)，沈振輝.數(shù)控機(jī)床空間幾何誤差識(shí)別與檢測(cè)[J].價(jià)值工程，2013，31：34-36.
韓輝輝
摘 要：為提高數(shù)控機(jī)床精度，誤差補(bǔ)償方法得到了廣泛的應(yīng)用。而使用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行機(jī)床誤差識(shí)別和補(bǔ)償，則能完成各種誤差的有效識(shí)別，從而使機(jī)床的精度得到有效提高。基于這種認(rèn)識(shí)，本文對(duì)激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行介紹，然后對(duì)該技術(shù)下的數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償問題展開了探究，以期為關(guān)注這一話題的人們提供參考。
關(guān)鍵詞：激光測(cè)試技術(shù)；數(shù)控機(jī)床誤差；識(shí)別；補(bǔ)償
引言：在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械零件加工的過程中，機(jī)床自身誤差將對(duì)加工精度產(chǎn)生較大影響。為解決這一問題，各種誤差補(bǔ)償方法逐漸被人們提出。而應(yīng)用激光測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，則能使數(shù)控加工精度得到顯著提高。因此，相關(guān)人員還應(yīng)加強(qiáng)該種誤差補(bǔ)償方法的研究，以便更好的促進(jìn)數(shù)控加工行業(yè)的發(fā)展。
1激光測(cè)試技術(shù)原理
所謂的激光測(cè)試技術(shù)，實(shí)際就是應(yīng)用激光干涉儀進(jìn)行位置測(cè)量的一種技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)，其實(shí)就是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)，能夠通過檢測(cè)頻差完成位置的測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，可以利用激光器進(jìn)行兩束振幅相同但頻率不同的左右圓偏振光的發(fā)射。而經(jīng)過λ/4片后，這些偏振光就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)方向垂直的線偏振光。利用分光器，則能完成部分光束的反射。反射的光束經(jīng)過檢偏器，則可以形成兩個(gè)頻率的信號(hào)。在接收器完成信號(hào)接收后，另一部分光束會(huì)通過分光器進(jìn)入偏振分光器。其中，與分光面平行的光束會(huì)完全通過，并到達(dá)可動(dòng)反射鏡。而由反射鏡發(fā)射回的光束會(huì)經(jīng)過偏振分光器，然后與分光面匯合。經(jīng)過轉(zhuǎn)向棱鏡的偏振器，則會(huì)被接收器接收。將測(cè)量得到的信號(hào)與參考信號(hào)相比較，則能夠得到多普率頻差，然后進(jìn)行位置計(jì)算。
2激光測(cè)試技術(shù)下數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償
2.1數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析
應(yīng)用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量，還應(yīng)將機(jī)床假設(shè)為剛體模型，以簡(jiǎn)化其運(yùn)動(dòng)分析過程。結(jié)合數(shù)控機(jī)床實(shí)際工作特點(diǎn)，可知機(jī)床由封閉運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成，在切削點(diǎn)有兩個(gè)開環(huán)。而數(shù)控機(jī)床的機(jī)座需要分別在兩個(gè)環(huán)的末端進(jìn)行刀具和工件的支撐，所以可以利用多剛體間位姿關(guān)系表示刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)[1]。假設(shè)運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)有兩組剛體，并且每個(gè)剛體上有一個(gè)基點(diǎn)，還要進(jìn)行各基點(diǎn)坐標(biāo)系的設(shè)置，然后利用參考坐標(biāo)系進(jìn)行各坐標(biāo)系間位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣的求取，從而完成兩個(gè)剛體的位姿關(guān)系分析。
2.2機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差建模
在實(shí)際進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差分析時(shí)，還應(yīng)明確機(jī)床組件運(yùn)動(dòng)誤差由桿件本身形狀尺寸誤差和運(yùn)動(dòng)副誤差和構(gòu)成。利用奇次坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)變換和平移變換，則可以進(jìn)行這兩種誤差的表示。假設(shè)誤差產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)為無限小的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)，則可以進(jìn)行誤差的線性疊加。在兩個(gè)誤差的坐標(biāo)系間，存在T這一理想轉(zhuǎn)換矩陣，相應(yīng)的誤差運(yùn)動(dòng)則為WT，所以實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差矩陣Tα=T+WT。沿著x，y，z軸的平動(dòng)誤差可分別設(shè)為Wx，Wy，Wz，刀具切削點(diǎn)在工件坐標(biāo)系為Tw=（xw，yw，zw，1）T，則切削點(diǎn)誤差矢量為△W=（△Wx，△Wy，△Wz，1）T。
2.3機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差識(shí)別
在實(shí)際進(jìn)行數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差識(shí)別時(shí)，還應(yīng)先明確影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的幾何誤差參數(shù)的組成。以三軸數(shù)控機(jī)床為例，影響其運(yùn)動(dòng)精度的幾何誤差參數(shù)多達(dá)21項(xiàng)，如y軸對(duì)x軸的垂直度誤差等。利用激光測(cè)試技術(shù)，可以完成絕大多數(shù)誤差的直接測(cè)量。在這些誤差中，在其它誤差參數(shù)已知的條件下，對(duì)角線坐標(biāo)誤差△y和△z將隨著水平軸和垂直軸的誤差參數(shù)變化而變化。在yz平面內(nèi)沿著直線測(cè)量，則能夠得到該平面內(nèi)保持有適當(dāng)間距的兩條平行對(duì)角線的位移誤差。采取該種方法，也能完成其他誤差的測(cè)量，如直線度誤差、位移誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)誤差等。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要利用三腳架支撐設(shè)備的光源，并在預(yù)熱20min后進(jìn)行光源對(duì)正，以確保光路與測(cè)量運(yùn)動(dòng)軸保持平行[2]。在此基礎(chǔ)上，需進(jìn)行反射鏡和干涉鏡的安裝，然后使機(jī)床歸零，并完成數(shù)據(jù)采集點(diǎn)坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)循環(huán)次數(shù)的設(shè)置，設(shè)備就可以自行完成誤差測(cè)量。
2.4機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償
完成誤差識(shí)別后，可以利用“華中I型”數(shù)控系統(tǒng)的三軸立式加工中心進(jìn)行誤差補(bǔ)償試驗(yàn)。而利用激光測(cè)試技術(shù)識(shí)別的誤差會(huì)以文件形式存入計(jì)算機(jī)，所以可以直接利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差模型計(jì)算編程子程序的調(diào)用，從而進(jìn)行各運(yùn)動(dòng)軸在目標(biāo)點(diǎn)誤差的預(yù)報(bào)。在這一過程中，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，即每8ms進(jìn)行一次中斷，然后利用子程序進(jìn)行控制指令修正，并利用修正得到的指令進(jìn)行機(jī)床各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的同時(shí)控制，繼而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誤差的聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償[3]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別和補(bǔ)償，能夠改善機(jī)床圓周運(yùn)動(dòng)軌跡的不圓度，并且提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)傾斜直線的位移精度。此外，系統(tǒng)的誤差的70%能夠得到減小，因此使用該方法能夠獲得顯著的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償效果。
結(jié)論：通過研究可以發(fā)現(xiàn)，使用激光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別，能夠利用對(duì)角線位移測(cè)量方法使機(jī)床誤差測(cè)量問題得到解決，并且完成全部參數(shù)誤差的測(cè)量。而使用該技術(shù)進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，則能使機(jī)床的加工精度得到有效提高，并且通過刷新誤差參數(shù)表再現(xiàn)機(jī)床精度。因此，相信本文對(duì)激光測(cè)試技術(shù)下數(shù)控機(jī)床誤差識(shí)別與補(bǔ)償方法展開的研究，可以為相關(guān)工作的開展帶來啟示。
參考文獻(xiàn)
[1]朱嘉，李醒飛，譚文斌等.基于激光干涉儀的測(cè)量機(jī)幾何誤差檢定技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，10：25-30.
[2]孫克，沈興全.激光干涉儀在數(shù)控機(jī)床幾何誤差檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2010，01：100-103.
[3]楊拴強(qiáng)，沈振輝.數(shù)控機(jī)床空間幾何誤差識(shí)別與檢測(cè)[J].價(jià)值工程，2013，31：34-36.
