TK6300數(shù)控銑床幾何誤差多系統(tǒng)檢測(cè)及軟補(bǔ)償*

王雪芳，劉吉兆，楊國(guó)輝，周小桃

(湖南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002)

0 引 言

精密數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最重要方向，也是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)集成智能化的關(guān)鍵技術(shù)[1]。然而，數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)幾何誤差包含種類繁多，目前尚不存在一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以檢測(cè)出所有誤差。本文提出了多測(cè)量系統(tǒng)的綜合誤差建模測(cè)量法。由球柄儀(DBB)測(cè)量模型，激光干涉儀測(cè)量模型，直線光柵測(cè)量模型，快速找到動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系，修正刀尖編程差值。這種結(jié)合仿真預(yù)測(cè)量模型的軟件補(bǔ)償方法相比較之前的硬補(bǔ)償大幅降低了原始誤差，具有實(shí)踐意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 多系統(tǒng)測(cè)量與建模

球柄儀主要測(cè)量?jī)奢S聯(lián)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于可以進(jìn)行圓弧動(dòng)態(tài)插補(bǔ)測(cè)量；光柵測(cè)量?jī)x可以0.005 μm的分辨率來(lái)標(biāo)定直線誤差，也能監(jiān)測(cè)垂直軸運(yùn)動(dòng)誤差；激光干涉儀能在較快的位移速度下檢測(cè)平面度、平行度、直線度、俯仰、擺動(dòng)、垂直度等幾何誤差，并且通過(guò)RS232接口可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)線性誤差補(bǔ)償。

1.1 激光干涉儀測(cè)量與建模

X軸激光干涉儀測(cè)量模型：X軸從A0移動(dòng)至A，Pw的整個(gè)誤差由彈性形變、熱誤差、轉(zhuǎn)角偏差等誤差，標(biāo)注為ΔXtotalxx，測(cè)量時(shí)固定Y軸、Z軸：

ΔXtotalxx=-APwycx+APwzbx+ΔXxx

式中：ΔXxx為基本定位誤差，ΔXtotalxx為為測(cè)量總誤差。

1.2 光柵測(cè)量?jī)x測(cè)量與建模

X軸VM-182型光柵測(cè)量?jī)x的測(cè)量模型：測(cè)量系統(tǒng)得到的是總位置誤差信息，其中包括兩個(gè)垂直度誤差，一個(gè)線性誤差。擺動(dòng)、俯仰、滾動(dòng)的誤差信息并不能直接給出。測(cè)量X軸時(shí)，Y、Z軸保持固定不動(dòng)。

當(dāng)X軸從A0運(yùn)動(dòng)到A時(shí)，真實(shí)測(cè)量矩陣為：

式中：ΔXtotalxx為X方向的總誤差 ΔYtotalxx為Y方向的總誤差;ΔZtotalxz為X向運(yùn)動(dòng)定位誤差在Z方向的分量;ΔXtotalxx是激光測(cè)量得到的測(cè)量值。

1.3 球桿儀測(cè)量與建模

球桿儀通過(guò)分析圓弧的半徑變化和弧線的軌跡特征，計(jì)算誤差矢量的大小和方位[2]。球桿儀(DBB)測(cè)量模型如下：

誤差向量是實(shí)際點(diǎn)與指令值的差值。設(shè)P(x,y,z)是指令目標(biāo)，實(shí)際刀點(diǎn)為P′(x′,y′,z′)，偏差值可表達(dá)為：

Cx=X′-X,Cy=Y′-Y,Zy=Z′-Z

C代表P點(diǎn)的誤差向量。如果P0點(diǎn)的誤差向量C0=(Cx0,Cy0,Cz0)，P1點(diǎn)的誤差向量為C1=(Cx1,Cy1,Cz1)

安裝球柄儀一端的點(diǎn)P0(x0,y0,z0)，固定在機(jī)床夾具上的一點(diǎn)P1(x1,y1,z1)。

Cy0)+(Z1-Z0)(Cz1-Cz0)}

測(cè)量軌跡呈現(xiàn)橢圓形說(shuō)明存在垂直度誤差，并且圓弧插補(bǔ)方向改變時(shí)，DBB的軌跡不變。

2 臥式數(shù)控銑床的誤差測(cè)量對(duì)比

2.1 光柵VM182的激光干涉儀仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

根據(jù)前面討論的，VM182測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該和激光測(cè)量系統(tǒng)呈現(xiàn)相同的結(jié)果。跟據(jù)仿真模型，得到圖1，激光干涉儀實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 VM182仿真X軸橫向誤差

圖2 VM182 X軸實(shí)測(cè)橫向誤差

從圖對(duì)比可以看出，溫度等熱誤差并沒(méi)有在仿真過(guò)程有考慮。而在VM182的實(shí)際測(cè)量圖中，熱誤差這種較大影響因子的是包含其中的，也就是說(shuō)熱誤差因素在這里有體現(xiàn)更能好復(fù)現(xiàn)誤差。如此，可以利用實(shí)測(cè)圖補(bǔ)償X軸向的橫向誤差就會(huì)更精準(zhǔn)。

2.2 DBB的激光干涉儀仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

從理論上預(yù)測(cè)DBB測(cè)量，可以用以激光干涉儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)近似DBB測(cè)量來(lái)繪制，如圖3。DBB實(shí)驗(yàn)際測(cè)量圖如圖4。從圖3可以看出，在X負(fù)方向存在間隙，而在實(shí)際測(cè)量效果更接近于橢圓。對(duì)比兩圖發(fā)現(xiàn)，誤差趨向相同。理論上的預(yù)測(cè)可以預(yù)測(cè)誤差范圍，用更精確測(cè)量軌跡我們可以找出差值來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的軟件補(bǔ)償。

圖3 DBB的激光干涉儀仿真圖

圖4 DBB實(shí)際測(cè)量圖

3 臥式數(shù)控銑床誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)

3.1 位置誤差數(shù)控程序校正補(bǔ)償

圖5上面三根線所展示的是未運(yùn)行補(bǔ)償程序下的光柵VN182的X向位置誤差測(cè)量，下面三根線所示是橫向誤差。

圖5 未補(bǔ)償?shù)腣M182的X軸測(cè)量

圖6是光柵VM182在TK6300機(jī)床上實(shí)施補(bǔ)償后的X向測(cè)量。發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償后，誤差微小了很多。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，位置誤差由0.023 mm驟降至0.005 2 mm。X軸的補(bǔ)償精度提高了將近十倍以上。同樣在其它直線軸上的誤差補(bǔ)償也可以按照此方法來(lái)進(jìn)行。這樣一來(lái)，整個(gè)機(jī)床的誤差精度會(huì)大幅提升。

圖6 已補(bǔ)償?shù)腣M182的X軸測(cè)量

3.2 垂直度誤差數(shù)控指令修正補(bǔ)償

在誤差辨識(shí)分步辨識(shí)過(guò)程中，是分開求解轉(zhuǎn)角誤差和線型誤差的。圓軌跡檢測(cè)轉(zhuǎn)角誤差項(xiàng)如果用數(shù)控語(yǔ)句來(lái)修正，球桿儀測(cè)量最為簡(jiǎn)潔有效。在TK6300銑床在球桿儀測(cè)量下的XY平面走圓弧如圖7所示。理想圓弧插補(bǔ)軌跡如圖7所示的粗實(shí)線，虛線為真實(shí)圓弧插補(bǔ)軌跡。圖8中圓弧ab,bc,cd,da分實(shí)際測(cè)得的虛線橢圓。

圖7 補(bǔ)償前的DBB測(cè)量 圖8 補(bǔ)償后的DBB測(cè)量

如果按ab-bc-cd-da順時(shí)針?lè)较騺?lái)看，則編程

補(bǔ)償反方向來(lái)做。數(shù)控補(bǔ)償以實(shí)線橢圓逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)來(lái)編程，會(huì)使圓弧最大程度逼近理想圓。編程修正如下：

N100 G91

N110 G02 X-148 Y-148 I-147.977 J-0.023 (arc ab)

N120 G02 X-148 Y148 I0.023 J148.023 (arc bc)

N130 G02 X148 Y148 I147.977 J0.023 (arc cd)

N140 G02 X148 Y-148 I-0.023 J148.977 (arc da)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)這種多系統(tǒng)的綜合測(cè)量以及多系統(tǒng)測(cè)量構(gòu)建的誤差預(yù)測(cè)模型的研究，能實(shí)現(xiàn)信息精準(zhǔn)的提取，為開發(fā)數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償軟件提供了新思路。在測(cè)量方面，TK6300數(shù)控銑床幾何誤差多系統(tǒng)檢測(cè)建立了動(dòng)態(tài)測(cè)量和準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量轉(zhuǎn)換的關(guān)系和實(shí)現(xiàn)方法。建模優(yōu)化測(cè)量模型，為用戶實(shí)現(xiàn)誤差的虛擬測(cè)量預(yù)報(bào)縮減了成本的同時(shí)極大提升誤差校準(zhǔn)精度。在誤差補(bǔ)償方面，運(yùn)用偏差值直接疊加插補(bǔ)算的嵌入式軟補(bǔ)償，相比之前硬補(bǔ)償更具精準(zhǔn)性，為進(jìn)一步開發(fā)智能型通用數(shù)控程序處理器具提供了新的有力支持。這對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度及和加工水平具有實(shí)踐意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。