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数控机床几何误差及其补偿方法的研究
数控机床几何误差及其补偿方法的研究 对数控机床几何误差产生的原因作了比较详细的分析,将系统误差的 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;误差补偿 前言 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)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;
(2)由于机床零件和机构误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 其它误差 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,用此误差值实时的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它相关的设备,成本太高,经济效益不好。
文献[4] 进行了温度的在线测量和补偿,未能达到实际应用。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的提高机床的 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,可分为以下几种方法: 2.1单项误差合成补偿法 这种补偿方法是以误差合成公式为理论依据,首先通过直接测量法测 得机床的各项单项原始误差值,由误差合成公式计算补偿点的误差分量,从而实现 对机床的误差补偿。对三坐标测量机进行位置误差测量的当属Leete, 运用三角几 何关系,推导出了机床各坐标轴误差的表示方法,没有考虑转角的影响。较早进行 误差补偿的应是Hocken教授,针对型号Moore 5-Z(1)的三坐标测量机,在16小时内, 测量了工作空间内大量的点的误差,在此过程中考虑了温度的影响,并用最小二乘 法对误差模型参数进行了辨识。由于机床运动的位置信号直接从激光干涉仪获得, 考虑了角度和直线度误差的影响,获得比较满意的结果。1985年G. Zhang成功的对 三坐标测量机进行了误差补偿。测量了工作台平面度误差,除在工作台边缘数值 稍大,其它不超过1μm,验证了刚体假设的可靠性。使用激光干涉仪和水平仪测量 得的21项误差,通过线性坐标变换进行误差合成,并实施了误差补偿。X-Y平面上 测量试验表明,补偿前,在所有测量点中误差值大于 20μm的点占20%,在补偿后, 不超过20%的点的误差大于2μm,证明精度提高了近10倍。
除了坐标测量机的误差补偿以外,数控机床误差补偿的研究也取得了一定的成果。在1977年Schultschik教授运用矢量图的方法,分析了机床各部件误差 及其对几何精度的影响,奠定了机床几何误差进一步研究的基础。Ferreira和其合 作者也对该方法进行了研究,得出了机床几何误差的通用模型,对单项误差合成补 偿法作出了贡献。J.Ni et al更进一步将该方法运用于在线的误差补偿,获得了比较 理想的结果。Chen et al建立了32项误差模型,其中多余的11项是有关温度和机床 原点误差参数,对卧式加工中心的补偿试验表明,精度提高10倍。Eung-Suk Lea et al几乎使用了同G. Zhang一样的测量方法,对三坐标Bridge port铣床21项误差进行 了测量,运用误差合成法得出了误差模型,补偿后的结果分别用激光干涉仪和 Renishaw的DBB系统进行了检验,证明机床精度得以提升。
