數(shù)控機(jī)床加工精度分析及優(yōu)化

殷海訪

(山東華宇工學(xué)院,山東 德州253000)

0 引言

評(píng)估數(shù)控機(jī)床性能的關(guān)鍵指標(biāo)是加工精度,數(shù)控機(jī)床可保證一定范圍內(nèi)的加工精度,但長(zhǎng)期頻繁使用數(shù)控機(jī)床會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法保持原有的高精度,故提高機(jī)床加工精度非常重要。加工精度主要取決于各種加工誤差,包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)的固有幾何誤差、裝配誤差及振動(dòng)誤差,在這些誤差源中,幾何誤差影響最大[1]。

精度優(yōu)化設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償是提高機(jī)床加工精度的常用方法。精度優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種將幾何誤差分布到機(jī)床關(guān)鍵區(qū)域來(lái)提高加工精度的方法,但每個(gè)幾何誤差對(duì)加工精度的影響是不同的,如果幾何誤差按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分配,優(yōu)化結(jié)果可能會(huì)被扭曲,故合理分配各個(gè)幾何誤差的權(quán)重是優(yōu)化設(shè)計(jì)精度的前提條件。誤差補(bǔ)償通過(guò)補(bǔ)償關(guān)鍵幾何誤差來(lái)優(yōu)化加工精度[2],利用數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償特性對(duì)現(xiàn)有的軸線誤差進(jìn)行補(bǔ)償,使精度較低的車(chē)床通過(guò)誤差補(bǔ)償生產(chǎn)出精度較高的產(chǎn)品,為數(shù)控機(jī)床的精度提供保證。采用誤差補(bǔ)償方法,應(yīng)針對(duì)不同類(lèi)型加工及誤差處理操作進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì),對(duì)其缺陷采取硬件解決方案、軟件保護(hù)措施、預(yù)處理措施,降低實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的誤差風(fēng)險(xiǎn)。為了有效提高零件的加工質(zhì)量及數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率,需改善數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)設(shè)備的工藝條件,提高工藝控制能力,增加加工精度。

1 建立機(jī)床誤差模型

對(duì)數(shù)控機(jī)床誤差建模表1列出了數(shù)控機(jī)床的37個(gè)誤差源,使用幾何誤差測(cè)量?jī)x測(cè)量垂直度與平行度誤差軸,其他幾何誤差直接用雙頻激光干涉儀測(cè)量,線性誤差及角誤差分別用δ、ε表示。例如,δyx是y方向上沿x軸運(yùn)動(dòng)的線性誤差,第一個(gè)下標(biāo)為誤差方向,第二個(gè)下標(biāo)為運(yùn)動(dòng)方向,即線軸。同理,εij的第一個(gè)下標(biāo)為角誤差的旋轉(zhuǎn)軸,第二個(gè)下標(biāo)為運(yùn)動(dòng)方向。誤差用螺釘表示,可通過(guò)PoE建立誤差建模。由于制造及安裝缺陷,每個(gè)軸都存在幾何誤差,這些誤差可用6個(gè)誤差分量來(lái)描述:3個(gè)平移分量及3個(gè)旋轉(zhuǎn)分量(每個(gè)剛體的自由度一個(gè)),根據(jù)螺旋理論[3]可定義為模誤差分量me$e:

表1 機(jī)床誤差分量

me$e=[εx,εy,εz,δx,δy,δz]T

(1)

以x軸分量為例,第一組包含直線定位誤差δxx、滾轉(zhuǎn)角誤差εxx,對(duì)應(yīng)的螺桿為$xx。第二組由水平直線度誤差δyx、俯仰角誤差εyx組成,對(duì)應(yīng)的螺桿為$yx。第三組由垂直直線度誤差δzx、偏航角誤差εzx組成,對(duì)應(yīng)的螺桿為$zx。

2 各幾何誤差對(duì)加工精度的影響

“S”形試樣具有扭轉(zhuǎn)角、開(kāi)合角轉(zhuǎn)換及變曲率等特性,廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的表征,其輪廓誤差能夠真實(shí)代表機(jī)床的加工精度,故選擇“S”形試樣作為加工工件。為了定性分析各幾何誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響,利用MATLAB進(jìn)行仿真分析,實(shí)現(xiàn)加工精度預(yù)測(cè)的步驟如下:利用UG NX 10.0軟件建立“S”形試件的三維模型,通過(guò)UG NX CAM處理模塊得到刀具位置文件,在刀具定位文件的基礎(chǔ)上利用UG NX 10.0的后置處理器得到“S”形試樣的數(shù)控加工指令。在建立幾何誤差模型的基礎(chǔ)上計(jì)算任意位置的幾何誤差值。利用加工誤差模型及數(shù)控加工指令對(duì)“S”形試樣的輪廓誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)。

機(jī)床的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。由各幾何誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響發(fā)現(xiàn),不同的幾何誤差及加工位置對(duì)加工精度的影響不同。

表2 機(jī)床的關(guān)鍵參數(shù)

3 基于Floyd算法的幾何誤差補(bǔ)償

數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償主要有兩種方法:根據(jù)加工過(guò)程中的誤差測(cè)量手動(dòng)調(diào)整數(shù)控加工程序,通過(guò)設(shè)定參數(shù),預(yù)先輸入預(yù)測(cè)項(xiàng),進(jìn)行數(shù)控誤差補(bǔ)償[4]。近年來(lái),數(shù)控刀具軌跡規(guī)劃修正補(bǔ)償法已成為一種應(yīng)用廣泛的方法,可規(guī)劃并求解最佳刀具路徑。刀具路徑規(guī)劃方法包括并行最短路徑搜索算法、蟻群算法、基于矩陣負(fù)載均衡激勵(lì)算法、增強(qiáng)帶寬反演最短路徑算法等。傳統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)是修改誤差項(xiàng),結(jié)果是每個(gè)項(xiàng)都依賴(lài)于其他項(xiàng),某些錯(cuò)誤項(xiàng)的減少可能導(dǎo)致其他項(xiàng)的增加,故僅修改關(guān)鍵誤差項(xiàng)的補(bǔ)償方法是不可接受或不可行的。Floyd算法是一種新的路徑規(guī)劃方法,易于理解及設(shè)計(jì)。

根據(jù)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),圓度誤差與同軸度誤差必須小于0.1 mm,粗糙度值必須小于0.8 mm。對(duì)基于Floyd補(bǔ)償算法優(yōu)化后的工件與未經(jīng)優(yōu)化的工件加工精度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,優(yōu)化后的圓度測(cè)量誤差為0.03 mm,小于未優(yōu)化后的圓度測(cè)量值0.07 mm,優(yōu)化前,同軸誤差為0.05 mm,優(yōu)化后,同軸誤差為0.08 mm。與未優(yōu)化的工件相比,優(yōu)化后的工件表面精度更高,粗糙度值由0.6 mm減小到0.4 mm(如表3所示)。說(shuō)明Floyd補(bǔ)償算法在提高加工精度方面是有效的。

表3 算法補(bǔ)償前后誤差測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行幾何誤差建模,分析機(jī)床各幾何誤差對(duì)加工精度的影響。結(jié)果表明,不同的幾何誤差及加工位置對(duì)加工精度的影響不同。利用基于Floyd算法的誤差補(bǔ)償優(yōu)化數(shù)控機(jī)床工件,對(duì)優(yōu)化前后的工件加工精度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),Floyd補(bǔ)償算法在提高機(jī)床加工精度方面是有效的。