李 可,王文超,熊亭超
(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 九江 332007)
制造業(yè)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)科技實(shí)力的重要標(biāo)尺,世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家大多是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)[1]。改革開放四十多年間,我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科學(xué)技術(shù)水平都獲得了大幅度提高,制造業(yè)也得到了深度發(fā)展。在早期階段,我國(guó)的機(jī)械產(chǎn)品和機(jī)械加工設(shè)備,主要依靠從國(guó)外進(jìn)口,德國(guó)、日本、美國(guó)都是我國(guó)制造業(yè)相關(guān)產(chǎn)品和設(shè)備的主要進(jìn)口國(guó)。通過多年的學(xué)習(xí)和堅(jiān)持自身的發(fā)展,我國(guó)具備了大多數(shù)民用機(jī)械產(chǎn)品和高端工業(yè)機(jī)械品的制造能力[2]。在機(jī)械加工設(shè)備方面,我國(guó)已經(jīng)可以自行研發(fā)設(shè)計(jì)出多種類型的數(shù)控機(jī)床。尤其是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心的國(guó)產(chǎn)化,標(biāo)志著我國(guó)機(jī)械加工和制造業(yè)技術(shù)水平得到了跨越式發(fā)展,步入了制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的行列。在可喜的局面之下,也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)制造產(chǎn)業(yè)尤其是機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域中存在的不足[3]。對(duì)于多軸數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心,我國(guó)存在對(duì)加工誤差分析水平不到位、加工誤差無法得到全面補(bǔ)償和修正、加工精度無法進(jìn)一步提高的瓶頸問題。據(jù)此,本文以多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工誤差為核心研究?jī)?nèi)容,以期為我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)瓶頸問題的突破提供新思路。
從國(guó)外研究的已有成果來看,對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差分析,主要借助多體理論并結(jié)合齊次坐標(biāo)變換??梢?,多體理論是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工誤差分析的基礎(chǔ)工具。多體理論的全稱為多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,即將多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床看成一個(gè)多體系統(tǒng),通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)其加工誤差的形成原因。運(yùn)用多體理論進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工誤差分析的主要流程如圖1所示。
圖1 運(yùn)用多體理論進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工誤差分析的主要流程
從圖1 給出的流程框架可知,運(yùn)用多體理論對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差分析,可以對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的裝配誤差、運(yùn)行誤差、換刀誤差和熱誤差進(jìn)行分析,進(jìn)而建立各類誤差對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,再采用齊次坐標(biāo)計(jì)算,從而得到誤差矩陣,進(jìn)而將各項(xiàng)誤差的矩陣進(jìn)行合并,可以得到多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的綜合誤差矩陣,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床誤差的準(zhǔn)確表達(dá)。
所謂多體理論是將復(fù)雜系統(tǒng)看成多個(gè)物體組成的多體系統(tǒng),本文要研究的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床就屬于復(fù)雜系統(tǒng),因此滿足進(jìn)行多體系統(tǒng)抽象和多體理論分析的基礎(chǔ)條件。多體理論既可以對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析,也可以對(duì)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床屬于開環(huán)系統(tǒng),這就需要用到多體系統(tǒng)開環(huán)分析理論,其基礎(chǔ)性工作是為其構(gòu)建多體系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
因?yàn)槎囿w系統(tǒng)涉及到多個(gè)個(gè)體,所以對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的多體抽象,需要先將其進(jìn)行個(gè)體分解,再對(duì)每一個(gè)個(gè)體形成編號(hào),具體操作是先找到0 編號(hào)個(gè)體,然后按照各個(gè)體之間的關(guān)系依次進(jìn)行編號(hào),編號(hào)過程中要注意可能出現(xiàn)的分支情況,當(dāng)機(jī)床內(nèi)所有組成部分均配置標(biāo)號(hào)后,多體系統(tǒng)正式建立。本文以XYZ型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為例,對(duì)其進(jìn)行多體系統(tǒng)構(gòu)建和編號(hào)處理,如圖2 所示。
圖2 XYZ 型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的多體抽象
從圖2 中可以看出,在XYZ 三維坐標(biāo)系下,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的各個(gè)組件被依次編號(hào)。其中,0 編號(hào)個(gè)體形成以后,又分別形成了2 個(gè)分支。左向分支包括了1 編號(hào)個(gè)體、2 編號(hào)個(gè)體,右向分支包括了3 編號(hào)個(gè)體、4 編號(hào)個(gè)體、5 編號(hào)個(gè)體。在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之下,進(jìn)一步進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系、誤差分析,可以分別依據(jù)各編號(hào)個(gè)體所在的位置有序展開。
對(duì)于XYZ 型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床而言,其加工誤差的形成包括了多方面原因,如裝配誤差、運(yùn)行誤差、換刀誤差和熱誤差等。其中,換刀誤差、熱誤差屬于局部誤差,其對(duì)全局綜合誤差的影響占比較低,而裝配誤差在加工前就已經(jīng)形成,在不能重復(fù)裝配的情況下可以認(rèn)定其為系統(tǒng)誤差。所以,對(duì)機(jī)械加工過程中的誤差影響最大的因素就是機(jī)床的運(yùn)行誤差。因此,這里主要對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床運(yùn)行誤差進(jìn)行建模和分析。
XYZ 型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中,其某一個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng),總可以分解成X方向運(yùn)動(dòng)、Y方向運(yùn)動(dòng)、Z方向運(yùn)動(dòng),要么是3 個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)效果合成,要么是2 個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)效果合成,要么是1 個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)。在這3 個(gè)方向上的實(shí)際運(yùn)動(dòng),總會(huì)和預(yù)期的理想運(yùn)動(dòng)軌跡存在一定偏差,從而導(dǎo)致最終的停程位置也出現(xiàn)一定的偏差,這個(gè)位置上的偏差就是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行誤差。
為了便于對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行誤差進(jìn)行建模處理,首先需要建立參考坐標(biāo)系,具體過程為在多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的床身上建立第一個(gè)坐標(biāo)系,是為參考坐標(biāo)系O。進(jìn)而,對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的X方向溜板建立坐標(biāo)系O1、對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的Y方向溜板建立坐標(biāo)系O2、對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的Z方向溜板建立坐標(biāo)系O3、對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的刀具建立坐標(biāo)系M和對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工件建立坐標(biāo)系N。這些坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)方向應(yīng)一致,但各坐標(biāo)系的原點(diǎn)互不重疊,從而可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)坐標(biāo)系的合理區(qū)分。
在上述的坐標(biāo)系配置關(guān)系之下,可以得到多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行誤差矩陣
式中:e(x)為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床X方向上的位移誤差;e(y)為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床Y方向上的位移誤差;e(z)為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床Z方向上的位移誤差;t(x)為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床X方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差;t(y)為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床Y方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差;t(z)為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。
類似地,可以得到某一個(gè)個(gè)體坐標(biāo)系下的運(yùn)行誤差矩陣,例如刀具坐標(biāo)系下的運(yùn)行誤差矩陣
式中:em()為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具X方向上的位移誤差;em()為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具Y方向上的位移誤差;em()為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具Z方向上的位移誤差;tm()為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具X方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差;tm()為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具Y方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差;tm()為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。
根據(jù)大量的數(shù)據(jù)分析和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可知,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行誤差形成與主軸振動(dòng)、刀具磨損、3 個(gè)方向上溜板磨損有關(guān),而不同原因形成的運(yùn)行誤差又會(huì)導(dǎo)致被加工工件不同形式的誤差。下面分別從主軸振動(dòng)、刀具磨損、3 個(gè)方向上溜板磨損這3 種情況出發(fā),逐一分析其可能造成的加工誤差。
首先,來看多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床主軸振動(dòng)可能導(dǎo)致的加工誤差,如圖3 所示。
圖3 多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床主軸振動(dòng)可能導(dǎo)致的加工誤差
從圖3 中可以看出,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床主軸振動(dòng),可能會(huì)形成4 個(gè)方向上的影響:第一個(gè)方向上,主軸振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床上某些零部件產(chǎn)生裂紋,最終后果是導(dǎo)致機(jī)床零部件損壞、機(jī)床被迫停機(jī);第二個(gè)方向上,主軸振動(dòng)可能會(huì)加大機(jī)床某些零部件之間的磨損,最終后果是導(dǎo)致機(jī)床零部件損壞、機(jī)床被迫停機(jī);第三個(gè)方向上,主軸振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床整體運(yùn)行不穩(wěn)定,最終后果是導(dǎo)致機(jī)床零部件損壞、機(jī)床被迫停機(jī);第四個(gè)方向上,主軸振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致刀具和被加工工件產(chǎn)生偏移,最終后果是導(dǎo)致被加工工件精度降低。可見,從加工誤差的影響角度看,主軸振動(dòng)第四個(gè)方向上的影響最直接。
其次,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具磨損可能導(dǎo)致的加工誤差,如圖4 所示。
圖4 多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具磨損可能導(dǎo)致的加工誤差
從圖4 中可以看出,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床刀具磨損,可能會(huì)形成4 個(gè)方向上的影響:第一個(gè)方向上,刀具磨損可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床刀具后刀面出現(xiàn)磨損,最終后果是導(dǎo)致工件加工精度降低;第二個(gè)方向上,刀具磨損可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床刀具邊界出現(xiàn)磨損,最終后果是導(dǎo)致工件加工精度降低;第三個(gè)方向上,刀具磨損可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床刀具前刀面出現(xiàn)磨損,最終后果是導(dǎo)致工件加工精度降低;第四個(gè)方向上,刀具磨損可能會(huì)導(dǎo)致刀具崩刃,最終后果是導(dǎo)致被加工工件精度降低??梢?,刀具磨損在4 個(gè)方向上的影響,都會(huì)導(dǎo)致工件出現(xiàn)加工誤差。
最后,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床3 個(gè)方向上溜板磨損可能導(dǎo)致的加工誤差,如圖5 所示。
圖5 多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床溜板磨損可能導(dǎo)致的加工誤差
從圖5 中可以看出,多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床溜板磨損,可能會(huì)形成4 個(gè)方向上的影響:第一個(gè)方向上,溜板磨損可能會(huì)導(dǎo)致支撐和引導(dǎo)構(gòu)件損壞,最終后果是導(dǎo)致機(jī)床零部件損壞;第二個(gè)方向上,溜板磨損可能會(huì)導(dǎo)致溜板表面磨損,最終后果是導(dǎo)致機(jī)床零部件損壞;第三個(gè)方向上,溜板磨損可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工過程中工件固定出現(xiàn)偏差,最終后果是導(dǎo)致被加工工件精度降低;第四個(gè)方向上,溜板磨損可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工過程中主軸固定出現(xiàn)偏差,最終后果是導(dǎo)致被加工工件精度降低??梢姡锇迥p在后2 個(gè)方向上的影響,都會(huì)導(dǎo)致工件出現(xiàn)加工誤差。
多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是目前機(jī)械加工最常用的工具,其加工精度直接關(guān)系到機(jī)械加工制造行業(yè)的產(chǎn)量和效率。本文對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差分析,進(jìn)而找到提升其加工精度的切入點(diǎn)。首先,以多體模型和多體理論,對(duì)XYZ 型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了多體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分和編號(hào)處理。其次,針對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)行誤差進(jìn)行了分析,建立了數(shù)學(xué)模型并給出了誤差矩陣,明確了其中移動(dòng)誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在誤差矩陣中的構(gòu)成。最后,從主軸振動(dòng)、刀具磨損、溜板磨損3 個(gè)方面,分析其可能導(dǎo)致的加工誤差,進(jìn)而定位了提升多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工精度的切入點(diǎn)。