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        數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢

        2018-01-01 10:56:55馬延斌
        科學(xué)與財富 2017年30期
        關(guān)鍵詞:誤差補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床

        馬延斌

        摘 要: 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)控機(jī)床加工精度的要求也越來越高,國際上普遍使用的提高數(shù)控機(jī)床加工精度的方法就是進(jìn)行幾何誤差的測量?;诖?,本文先是分析了數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究的現(xiàn)狀,然后闡述了數(shù)控機(jī)床中的硬件靜態(tài)補(bǔ)償、系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償和坐標(biāo)偏置補(bǔ)償這三種誤差補(bǔ)償,最后進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究趨勢的分析。目的是幫助相關(guān)人員更好地進(jìn)行數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量。

        關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床;幾何誤差;誤差補(bǔ)償

        前言:機(jī)床制造業(yè)可以看做是國民經(jīng)濟(jì)的“心臟”,是國家裝備工業(yè)實力的具體體現(xiàn),與國家的核心競爭力有著直接的關(guān)系。雖然我國是一個數(shù)控機(jī)床制造大國,但是在高性能、超精密的機(jī)械加工技術(shù)方面,仍與世界先進(jìn)水平存在著很大的差距,誤差防止和誤差補(bǔ)償是提高數(shù)控機(jī)床精度的主要方法。因此,對于數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢的分析是很有必要的。

        1.數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀

        目前常用的數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量方法主要有以下幾種:

        1.1 激光跟蹤測量

        激光跟蹤測量方法可以直接測定空間一點的坐標(biāo),具有測量范圍大和測量方便等方面的優(yōu)點。近些年來,國內(nèi)外的多名研究學(xué)者先后使用激光跟蹤測量方法進(jìn)行了大型數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量機(jī)的空間誤差測量,成為了目前研究的熱點。激光跟蹤測量方法即將列入數(shù)控機(jī)床檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)中,測量方法也由單臺激光測量儀器測量轉(zhuǎn)向多臺激光測量儀器測量,甚至向多站進(jìn)行測量的方向發(fā)展。單臺激光跟蹤測量儀器雖然使用很方便,但是測量的精度有一定的限制;使用多臺激光測量儀器進(jìn)行測量雖然精度有一定的提高,但是在實際的使用中,多臺儀器同時對同一目標(biāo)點進(jìn)行測量是比較困難的,而且成本也比較高;目前使用最廣泛的是單臺激光跟蹤儀器多基站測量,由于該方法是使用多基站,激光跟蹤儀器測角的誤差對于空間誤差的影響就比較小,但是測量的精度仍舊偏低,而且測段的時間也比較長。

        1.2 球桿儀測量

        自從布萊恩提出球桿儀的測量原理,并將球桿儀應(yīng)用到三坐標(biāo)測量機(jī)以及數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量以來,球桿儀就成為了最受歡迎的數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量儀器。球桿儀在使用時,它的兩端要分別安裝在數(shù)控機(jī)床的主軸和工作臺上,以此來控制數(shù)控機(jī)床的運動是圓形的,球桿儀會將運動的圓形軌跡和標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡進(jìn)行對比,綜合分析出數(shù)控機(jī)床中各種單項誤差的參數(shù)。由于球桿儀的使用方便、操作簡單,國內(nèi)外很多專家學(xué)者都使用球桿儀來進(jìn)行三軸或者五軸數(shù)控機(jī)床中的各種單項幾何誤差以及動態(tài)伺服誤差,并以此形成了IS0230-4標(biāo)準(zhǔn)。但是球桿儀的測量桿長度只能在有限的間距內(nèi)變化,而且測量桿的長度比較短,使得球桿儀在進(jìn)行大型數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量以及補(bǔ)償空間誤差時存在比較大的局限性。

        2.數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償研究

        上述數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量的相關(guān)研究,其研究目就在于誤差補(bǔ)償,利用有效的誤差補(bǔ)償方法能夠在很大程度上提升數(shù)控機(jī)床的加工精度,就目前的研究現(xiàn)狀來看,主要的補(bǔ)償方法有以下幾種:

        2.1 硬件靜態(tài)補(bǔ)償

        此種補(bǔ)償方法主要是通過改善機(jī)床的較大動作誤差來達(dá)到補(bǔ)償目的。在存在運動誤差的運動軸上增設(shè)一種能夠修正位移量的硬件裝置,這實際上就是一種硬件補(bǔ)償方法,應(yīng)用過程中無法實現(xiàn)補(bǔ)償信號的實施反饋要求,同樣也不能依據(jù)實際工況對其進(jìn)行補(bǔ)償值的有效調(diào)整[1]。

        2.2 系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償

        系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償方法的實現(xiàn),需要利用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的集成補(bǔ)償功能模塊改變系統(tǒng)參數(shù),從而達(dá)到誤差補(bǔ)償?shù)哪康?。具體的補(bǔ)償類型包括螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、熱誤差補(bǔ)償、直線度誤差與垂直度誤差補(bǔ)償。此種補(bǔ)償方式存在魯棒性較差的不足,正對數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)工況較為復(fù)雜的熱誤差現(xiàn)象,難以達(dá)到相應(yīng)的補(bǔ)償精度要求。

        2.3 坐標(biāo)偏置補(bǔ)償

        這種補(bǔ)償方法被上海交通大學(xué)項目組充分利用,基于數(shù)控機(jī)床的外部機(jī)械原點偏移功能,研發(fā)出了機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng),利用機(jī)床PMC的I/O接口,向數(shù)控系統(tǒng)輸入誤差補(bǔ)償值,從而完成補(bǔ)償流程。從現(xiàn)階段的試驗與應(yīng)用效果來看,具有硬件成本低、補(bǔ)償精度高的特點優(yōu)勢。此外,上海交通大學(xué)的項目組成員還以此為基礎(chǔ)制定出兩種具有高度可行的誤差動態(tài)實時補(bǔ)償方案。第一種方案以數(shù)控系統(tǒng)外部補(bǔ)償器的控制功能為基礎(chǔ),通過外部補(bǔ)償器將其接收到的溫度信號、位置信號與切削力信號進(jìn)行并算,再將得出的補(bǔ)償值輸入到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中實現(xiàn)誤差補(bǔ)償[2]。第二種方案以數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部補(bǔ)償系統(tǒng)控制功能為基礎(chǔ),數(shù)控系統(tǒng)通過自身直接接受外部溫度信號與切削力信號、內(nèi)部位置信號,并算得到補(bǔ)償之后直接進(jìn)行誤差補(bǔ)償。兩種方案當(dāng)中都采用了數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中外部坐標(biāo)系的偏移功能,最終才能實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床幾何誤差的動態(tài)實時補(bǔ)償。

        3.數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究趨勢

        通過對數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀的分析,能夠進(jìn)一步對其未來的研究趨勢進(jìn)行相對準(zhǔn)確的判斷?,F(xiàn)階段,對引發(fā)數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量與補(bǔ)償并不能做到真正的實施解決,在很大程度上制約了數(shù)控機(jī)床的精度提高以及機(jī)床制造水平提升。實際數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量過程中,對于一臺數(shù)控機(jī)床的測量可能就要幾天甚至幾周,最終得出的測量結(jié)果也并不能得到有效補(bǔ)償或抑制。要想實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的多誤差參數(shù)進(jìn)行高精度且快速的測量,可從測量儀器方面入手,通過多參數(shù)、快速、高精度的綜合測量儀器,進(jìn)一步提升獲取機(jī)床與坐標(biāo)測量機(jī)的誤差補(bǔ)償所測空間誤差的速度,并實現(xiàn)幾何誤差等多誤差的準(zhǔn)確分離,從而實現(xiàn)準(zhǔn)確測量與建模。

        結(jié)束語:綜上所述,數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量可以提高數(shù)控機(jī)床加工和制造的精度。分析可得,通過對數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢的分析,我國要加大力度研發(fā)高精度和多參數(shù)的快速綜合測量儀器,這樣才能設(shè)計出高精度、高性能的數(shù)控機(jī)床,從而促進(jìn)我國制造業(yè)的發(fā)展,提高我國工業(yè)在世界上的競爭力。希望本文可以為相關(guān)人員分析數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢提供參考。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張達(dá). 芻議球桿儀在數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2015,(02):63-64-75.

        [2]鄒華兵. 三軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量與辨識的研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2015,(07):141-145. [2017-08-25].endprint

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