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      數(shù)控機(jī)床三維空間誤差建模及補(bǔ)償?shù)乃伎?/h1>
      2018-07-26 10:40:56蔣華平
      科技資訊 2018年6期
      關(guān)鍵詞:誤差補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床

      蔣華平

      摘 要:數(shù)控機(jī)床是大型設(shè)備加工的主要工具,如果其有操作上的誤差,大型設(shè)備的使用會受到影響,所以為保證數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的精度,解決加工零件質(zhì)量較低的問題,可使用三維空間誤差建模技術(shù),把模型產(chǎn)生的誤差映射到生產(chǎn)中,實(shí)現(xiàn)誤差的補(bǔ)償。

      關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床 三維空間誤差建模 誤差補(bǔ)償

      中圖分類號:TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2018)02(c)-0089-02

      數(shù)控機(jī)床是較為常見的設(shè)備,可生產(chǎn)復(fù)雜的零件,在多個領(lǐng)域廣泛使用,但在某些領(lǐng)域使用時,可能會因?yàn)橛姓`差,導(dǎo)致加工的零件與實(shí)際需求不符。由此,可使用誤差補(bǔ)償技術(shù),以及三維空間的誤差建模,后者與前者相比,使用的成本較少,為精度的控制提供依據(jù)。

      1 數(shù)控機(jī)床三維空間的誤差建模

      1.1 移動副的誤差與多體系理論

      數(shù)控機(jī)床是以床身為基礎(chǔ),在上面把不同部件聯(lián)系在一起,構(gòu)成零件的加工設(shè)備,通常來說,機(jī)床上零件的運(yùn)動只有一個自由度,但因?yàn)榫唧w操作的差異,以及實(shí)際組合時小的誤差,會增加額外的5個自由度,并出現(xiàn)了多個誤差元素。所以,本文是以機(jī)床的移動副為模型,在上面建立了坐標(biāo)系,統(tǒng)計了它平動與轉(zhuǎn)動誤差,而這只是一個移動副,各部分不同的移動副會形成多個誤差。由此,技術(shù)人員必須合理建模,才可得到最佳的補(bǔ)償值。其使用的理論是多體系理論。

      多體系理論是建模使用的理論,是機(jī)械系統(tǒng),由數(shù)個剛體、柔體組合而成,同時,機(jī)床自身也是由多個零件組成,與多體系理論的構(gòu)成類似,所以,可用該理論研究。用多體系理論分析的前提是,找到體與體之間的關(guān)系,根據(jù)關(guān)系畫出拓?fù)鋱D、列出陣列,其中,低序陣列可展示不同體之間的聯(lián)系。另機(jī)床可細(xì)分成兩個分支,一是工件,二是刀具。技術(shù)人員簡單分析后,會選擇多個個體,對每個個體進(jìn)行了編號,得到每個個體的底序體算子,共選擇了8個個體,設(shè)置0~4四個序號,當(dāng)序號為0時,每個樣本的底序體算子是樣本的序號,隨后0的位置逐次后移,當(dāng)序號到4時,所有樣本的底序體算子均為0。

      1.2 誤差建模

      根據(jù)移動副的誤差與多體系理論建立模型,試分析矩陣的結(jié)構(gòu),使用多個誤差元素,根據(jù)機(jī)床的形成過程,得到綜合誤差表示的結(jié)果,算式中,其會使用多個點(diǎn),這些點(diǎn)對應(yīng)不同的信息,表達(dá)式是:QMQN=P+Pe++S+Se,其中,QN是一側(cè)坐標(biāo)AM的原點(diǎn),與另一側(cè)坐標(biāo)系A(chǔ)N對應(yīng)的點(diǎn)是QM,P和Pe是對QM對應(yīng)的誤差矢量與表示,S與Se是QN對應(yīng)的誤差矢量與表示,如果忽略兩個誤差矢量,可把表達(dá)式變成[AMN]=[AMN]p[AMN]s。用這個表達(dá)式可以描繪機(jī)床生產(chǎn)形成的誤差,處理位置的偏移量。

      1.3 建立分析軟件

      建立某一模型后,技術(shù)人員為優(yōu)化誤差的分析效果,也可進(jìn)一步開發(fā)軟件,設(shè)計誤差分析軟件。其過程如下:

      (1)運(yùn)用MATLAB語言。該語言有較強(qiáng)的活力,從矩陣運(yùn)算中衍生而來,用它設(shè)計軟件,可通過靈活的運(yùn)算得到結(jié)果,靈活設(shè)計流程,高質(zhì)量地完成界面設(shè)計,讓軟件與其他軟件銜接[1]。而用該語言設(shè)計后,使用者也可以根據(jù)自己的需求適當(dāng)拓展,增加新內(nèi)容。

      (2)設(shè)計軟件與功能。用語言制作軟件的步驟有5點(diǎn),依次是初步設(shè)計、分析功能性、調(diào)整頁面、填寫程序,最后進(jìn)行調(diào)試,由此,設(shè)置的軟模塊包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空間分析、誤差處理、分析補(bǔ)償結(jié)果,調(diào)整機(jī)床控制系統(tǒng)等,這些模塊的使用,可優(yōu)化對整體情況的分析,對誤差情況有基本了解,優(yōu)化對數(shù)控機(jī)床的調(diào)控。所以,總結(jié)出軟件的功能是,保證測量方法的可行性,用系統(tǒng)分析時,其會隨機(jī)產(chǎn)生多個誤差,系統(tǒng)用仿真數(shù)據(jù)逐一分析后,可把多個誤差分離,根據(jù)每個誤差的多少,提供補(bǔ)償,使最后的結(jié)果可視化;實(shí)現(xiàn)對實(shí)時測量數(shù)據(jù)的分析,系統(tǒng)運(yùn)行時首先要做的是把數(shù)據(jù)導(dǎo)入,完成分析后,把最后的結(jié)果用直觀的方式展示。用這一方式處理后,可在模型分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化補(bǔ)償?shù)男Ч嵘龜?shù)控機(jī)床的性能,驗(yàn)證了軟件的可行性。

      2 誤差補(bǔ)償

      具體實(shí)踐中,可使用的誤差補(bǔ)償方式有多類,包括實(shí)時和非實(shí)時的補(bǔ)償、硬件和軟件補(bǔ)償、靜態(tài)動態(tài)補(bǔ)償,通過對這三點(diǎn)的分析,可了解三維空間誤差補(bǔ)償,設(shè)計出具體的原理。

      2.1 補(bǔ)償方法的分類與三維空間的誤差補(bǔ)償

      補(bǔ)償方法分類如下:首先,實(shí)時與非實(shí)時的補(bǔ)償優(yōu)勢是,消除系統(tǒng)誤差,并消除系統(tǒng)產(chǎn)生的部分隨機(jī)誤差,同時,優(yōu)化誤差檢測的方法與效果。這兩種方法中,最常使用的是后一種方法,用于補(bǔ)償靜態(tài)誤差。其次,硬件與軟件補(bǔ)償,這一方式是用改變刀具的使用,以及改變加工工具的具體位置實(shí)現(xiàn),這兩種方法中,軟件補(bǔ)償是其最常使用的方法,讓刀具和工具互相配合,形成相對位置,硬件補(bǔ)償是調(diào)整刀具、工件具體擺放的位置,控制零件加工的誤差,而把這兩種方式比較后,可發(fā)現(xiàn)后者與前者相比,操作較為笨拙,得到效果較差,所以,選擇的方式以軟件處理為主;最后,靜態(tài)和動態(tài)補(bǔ)償,靜態(tài)補(bǔ)償是機(jī)床實(shí)際加工時,設(shè)定的補(bǔ)償量不變,用設(shè)定值補(bǔ)償,它可補(bǔ)償?shù)恼`差是系統(tǒng)誤差,隨機(jī)產(chǎn)生的誤差依然存在,動態(tài)補(bǔ)償是在機(jī)床具體操作中,根據(jù)具體的加工情況,選擇適合的補(bǔ)償量,完成反饋補(bǔ)償[2]。

      三維空間的誤差補(bǔ)償:它的誤差是由多個小誤差組成,而所有誤差中部分可用上述三種誤差補(bǔ)償方法處理,比如振動誤差和測試誤差等。所有組成的誤差中,幾何誤差、熱誤差是需著重補(bǔ)償?shù)恼`差,它們也會使用多種誤差補(bǔ)償方法。機(jī)床幾何誤差是零件加工、安裝時,因?yàn)槌叽纭⑽恢玫鹊腻e誤,使某些位置零件的加工出現(xiàn)偏差,影響最后加工的精度,出現(xiàn)這一誤差的原因是系統(tǒng)程序;對這類誤差的處理,是確定某個位置穩(wěn)定的誤差,分析誤差的大小,隨后進(jìn)行補(bǔ)償,具體使用的方法是軟件靜態(tài)補(bǔ)償法。熱誤差出現(xiàn)的原因是,隨著機(jī)床生產(chǎn)時間的延長,機(jī)器的溫度有不同程度的升高,在整個空間內(nèi)形成多個溫度場,零件受這些溫度影響,會出現(xiàn)不同的變形,影響零件的精度,所以對這個誤差的處理,是建立預(yù)測模型,具體方法是非實(shí)時軟件動態(tài)補(bǔ)償。

      2.2 補(bǔ)償?shù)脑砹鞒?/p>

      誤差補(bǔ)償必須使用的步驟是檢測、建立誤差模塊,最后補(bǔ)償,所以它的原理如下:測量包含的步驟是,確定需檢測的數(shù)控機(jī)床,明確誤差,用LDDM測量,得到結(jié)果后建立誤差模塊,包括建立模型,把所有誤差分離,找到誤差來源的源頭,建立誤差補(bǔ)償模塊,它包括建立模型,發(fā)布補(bǔ)償文件,最后進(jìn)行補(bǔ)償,從數(shù)控系統(tǒng)開始,把命令傳輸?shù)津?qū)動器、電機(jī),最終到達(dá)數(shù)控機(jī)床。其設(shè)計進(jìn)行補(bǔ)償測量的過程是,會把機(jī)床劃分成的多個位置,用激光進(jìn)行逐一掃描,得到誤差矢量,隨后,把所有結(jié)果放到已經(jīng)建立的模型中,用模型完成分析,最后完成數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償。

      2.3 三維空間的誤差補(bǔ)償表

      三維空間誤差補(bǔ)償表的繪制,是把補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容精細(xì)化,并在數(shù)控機(jī)床的控制中加入開放式的數(shù)控系統(tǒng)。表格內(nèi)輸入的信息是從數(shù)控機(jī)床正向測量得到的誤差數(shù)據(jù),與電機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù),從這些數(shù)據(jù)與分析后的結(jié)果可以得出具體補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。

      3 結(jié)語

      數(shù)控機(jī)床三維空間誤差建模及補(bǔ)償,是基于移動副的誤差與多體系理論,建立誤差分析的模型,以及分析系統(tǒng),隨后,提出誤差補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)化,即從多種方法中選擇最佳的方法,實(shí)現(xiàn)誤差的分離,用補(bǔ)償?shù)脑砹鞒膛c補(bǔ)償表讓過程與結(jié)果直觀化。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 張贇莉,李宸.可靠通信機(jī)制在數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線的應(yīng)用[J].中國新通信,2012,14(24):56.

      [2] 王志成,于東,李培新,等.數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線通信效率的改進(jìn)[J].計算機(jī)工程,2012,37(10):23-25,28.

      [3] 朱赤洲,陳蔚芳,趙鵬,等.數(shù)控機(jī)床三維空間誤差建模及補(bǔ)償技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2012(4):16-19,24.

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