五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度改善方法研究現(xiàn)狀

張娟 周丹

摘 要：由于數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)與靜態(tài)誤差的聯(lián)合作用，五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度受到一定影響，進(jìn)而對(duì)工件加工質(zhì)量造成影響。本文基于闡述若干種基于特征描述的誤差建模方法，研究相對(duì)應(yīng)的分析誤差靈敏度的方法特點(diǎn)。依據(jù)五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)架分析主動(dòng)軸、平動(dòng)軸的誤差識(shí)別以及檢測方法，依據(jù)不同誤差類型總結(jié)主流誤差補(bǔ)償方法特征。最后，系統(tǒng)分析如何改善五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度，研究精度改善發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床;空間定位;定位精度;改善方法

與三軸數(shù)控機(jī)床相比，五軸數(shù)控機(jī)床具有更強(qiáng)的刀具調(diào)節(jié)能力，安裝工件時(shí)間更短，正逐漸被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等制造行業(yè)。五軸數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)以及機(jī)械構(gòu)架更為復(fù)雜，其空間定位精度更難以得到有效保障，尤其是加工復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)工件時(shí)，容易發(fā)生表面波紋明顯、尺寸誤差較大等問題，嚴(yán)重影響工件加工制造質(zhì)量。工件設(shè)計(jì)形狀與刀具實(shí)際軌道值之間的誤差即為加工誤差，而數(shù)控機(jī)床空間定位精度是指刀具實(shí)際位置與理想位置之間的誤差，總之，數(shù)控機(jī)床空間定位精度對(duì)于加工誤差而言具有重要意義。

一、誤差建模

誤差建模是指基于誤差補(bǔ)償與精度設(shè)計(jì)理論，[1]識(shí)別機(jī)床誤差源與刀具位置偏差之間的映射關(guān)系，其核心是用數(shù)學(xué)形式表達(dá)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸空間位置偏差。數(shù)控機(jī)床誤差源涉及到主要零部件制造裝配誤差、控制系統(tǒng)誤差、主軸頭熱誤差等。靜態(tài)誤差是指零部件制造裝配不當(dāng)引起的幾何誤差，熱誤差也是靜態(tài)誤差的一種;動(dòng)態(tài)誤差則是指進(jìn)給軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的變形、間隙等，具有時(shí)變性以及力學(xué)性。當(dāng)前誤差建模方法主要有以下幾種：

（一）基于靜態(tài)變量

視數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)副間誤差因素為靜態(tài)常量的建模方法其核心思想認(rèn)為該類誤差與時(shí)間無關(guān)而與運(yùn)動(dòng)軸位置相關(guān)?；陟o態(tài)變量的誤差建模方法的本質(zhì)是非時(shí)間變量的幾何變量借助機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型得以傳遞，空間表達(dá)于刀具終端。

（二）基于概率分布

基于概率分布的誤差建模將數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)副間誤差因素看作隨機(jī)數(shù)，能夠滿足某種分布特征。該建模方法的數(shù)學(xué)表達(dá)的核心在于借助機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在刀具位置映射伺服軸與連桿之間的誤差分布特征。

（三）基于區(qū)間數(shù)

源自于計(jì)算科學(xué)的區(qū)間分析法，基于區(qū)間數(shù)的建模方法將數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)副間誤差因素看作區(qū)間數(shù)，能夠滿足給定邊界的要求。這種建模方法逐步用于傳統(tǒng)五軸機(jī)床的誤差建模中，其數(shù)學(xué)表達(dá)的核心在于借助機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型搜索刀具偏差邊界。[2]

二、分析誤差靈敏度

保障五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度最主要的方法是精度設(shè)計(jì)，其主要理論根據(jù)則是誤差靈敏度分析。通過定義誤差靈敏度指標(biāo)，搜尋機(jī)床加工過程中引起誤差的工作項(xiàng)，從而特別控制誤差項(xiàng)，合理分配公差，提高零部件加工精度，進(jìn)而提升數(shù)控機(jī)床空間定位精度。不同建模方法具有不同的誤差靈敏度分析方法。

（一）基于矩陣偏微分

基于靜態(tài)變量的誤差建模方法主要的靈敏度分析方法為矩陣偏微分分析法，在X、Y、Z空間對(duì)刀具誤差分量做偏微分運(yùn)算，將某一誤差分量偏微分?jǐn)?shù)值與總誤差偏微分?jǐn)?shù)值之比視為該方向上誤差項(xiàng)的靈敏度指標(biāo)。[3]

（二）基于概率分布

假設(shè)刀具誤差源均符合正態(tài)分布特點(diǎn)，利用誤差傳遞模型對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向上位置誤差進(jìn)行求解，將誤差源方差與各方向刀具誤差之比視作誤差靈敏度指標(biāo)?；诟怕史植嫉恼`差靈敏度分析法存在一定的弊端，它無法準(zhǔn)確獲取機(jī)床誤差源的分布特征，無法充分估計(jì)具體某一個(gè)體的數(shù)控機(jī)床的誤差情況。

（三）基于區(qū)間數(shù)

將機(jī)床各誤差源設(shè)為給定邊界的區(qū)間數(shù)，利用區(qū)間數(shù)運(yùn)算規(guī)則以及數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算誤差區(qū)間，并根據(jù)區(qū)間寬度設(shè)定誤差靈敏度。

三、研究五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度

（一）動(dòng)態(tài)誤差

相較于靜態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)誤差的主要特征有動(dòng)態(tài)性、時(shí)變性、相關(guān)性以及隨機(jī)性，有學(xué)者將數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差描述為因機(jī)床加速度變化、速度、進(jìn)給率綜合作用導(dǎo)致的機(jī)械系統(tǒng)誤差，動(dòng)態(tài)誤差與加速度、速度變化成正比，機(jī)床進(jìn)給軸位置變化引起系統(tǒng)幅值以及固有頻率變化。動(dòng)態(tài)誤差的特征描述是進(jìn)一步設(shè)計(jì)誤差補(bǔ)償方法的前提條件。

（二）五軸數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償

合理的誤差補(bǔ)償有效提高五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度。誤差補(bǔ)償主要包括幾何誤差補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償。其中幾何誤差補(bǔ)償又分為軟件補(bǔ)償與硬件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償是指利用微動(dòng)機(jī)構(gòu)以及其他補(bǔ)償裝置局部修正數(shù)控機(jī)床的幾何誤差，這是一種剛性補(bǔ)償，可調(diào)節(jié)性較差，若幾何誤差較大，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)則會(huì)失去作用。軟件補(bǔ)償則指基于識(shí)別、檢測幾何誤差，構(gòu)建預(yù)測數(shù)控機(jī)床加工誤差的模型，依據(jù)模型計(jì)算實(shí)際加工制造過程中刀尖位置誤差，應(yīng)用修改NC代碼、偏置坐標(biāo)零點(diǎn)等方法改善空間定位精度。

動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償主要利用優(yōu)化、調(diào)整伺服增益來實(shí)現(xiàn)改善機(jī)床空間定位精度，該補(bǔ)償方法尚處于研究初級(jí)階段。動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)拈L期研究目標(biāo)是滿足高精加工需求，探索便于應(yīng)用、具有強(qiáng)魯棒性、明顯補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃奕喬，馮文龍，沈牧文，楊建國.五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角定位誤差建模及補(bǔ)償[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（03）：157-159+163.

[2]譚智.高速/復(fù)合數(shù)控機(jī)床及關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新能力平臺(tái)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2017（03）：80-85.

[3]楊吉祥，陳幼平，Yusuf Altintas.五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制建模及精度提高方法研究[J].金屬加工（冷加工），2017（11）：68.

作者簡介：張娟（1983-），女，漢族，湖北隨州人，本科，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造，數(shù)控加工;周丹（1986-），女，漢族，江西人，本科，工程師，研究方向：數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用測試。