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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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。
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