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数控机床加工误差补偿技术的研究【优秀设计毕业资料】

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数控机床 加工 误差 补偿 技术 研究 钻研
资源描述:

摘  要
   加工精度是机床最重要的性能指标之一。本课题运用多体系统运动学为核心的误差分析理论体系,对三轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析,并重点在数控机床误差测量、误差分析建模、误差辨识以及误差补偿等方面的研究,通过建立误差模型,得出误差在刀具运动过程中的传递规律,给出了过程,为了提高加工精度,从而对机床进行了软件误差补偿。本文主要从以下几个方面的内容进行了研究和探讨:
   (1) 研究了机床的精度分析的基本理论,对多体系统运动学以及基于该理论的机床误差建模、误差辨识及误差补偿的方法作了科学性的研究。数控机床误差参数的正确辨识是数控机床补偿的必要前提条件。
   (2) 详细分析了三坐标9线误差分析方法,以沿X向运动为例,算得六项误差参数,继而同理可以推算出沿Y向和Z向的十二项误差参数,之后又以为例,具体给出其计算方法,同理可推算出其余两项垂直度误差 。由此得到21项误差,并以X向为例,做实验,将测得值和计算的两个误差进行比较,发现误差相差比较小。
   (3) 详细阐述了软件补偿数控指令的修正算法,再根据此建立了软件补偿系统,分别对软件系统的软硬件流程进行详细阐述,最后通过此项技术的误差补偿,数控机床的各项误差都有所降低,达到了本课题提高机床加工精度的目的。但是本课题的成果尚未应用到生产实际中,在今后的研究中,还要进行大量的实验去获取大量的实际数据,为今后该方法的实际应用奠定基础。
   
关键词:数控机床;几何误差;多体系统;误差补偿

Abstract
  The machining accuracy is one of the most important performance indexes for  machinetools.Theoretical analysis of system error based on the kinematics of multi-body system as the core, the three axis CNC machine tool accuracy problem analyzed system, comprehensive, and focus on the NC machine tool error measurement, error analysis, error identification and the error compensation model etc., by establishing the error model, transfer of error in the tool motion process in conclusion, given the process, in order to improve the machining precision, thus the software error compensation of machine tools. The following issues are mainly studied and addressed in this thesis:
   (1) Research on the basic theory analysis of the accuracy of machine tools, the kinematics of multi-body system and method of the theory of the machine tool error modeling, error identification and the error compensation based on the scientific study. Correctly identifying the geometric error parameters is a necessary prerequisite for compensation of NC machine.
   (2) After establishing the precision model of machine tools,the measurement and evaluation of their error parameters have been started.There are many kinds of error parameters in the machine tool to influence its machining accuracy.The recognized strategies of error measurements and evaluations for machine tools are introduced.After that,this paper has detailed a new method defined as twelve—line method for the sake of making the most of double.frequency laser interferometers to measure and evaluate 21 geometric errors of three-axis system.Based on these researches,the problems of the error measurement and evaluation of machine tools in the application process of MBS theories are resolved perfectly.
   (3) This paper put forward index systems of machining contour errors,through error compensation of this technology, the NC machine tool error are reduced, reaches the aim of improving the machining accuracy of machine tools. But the result has not been applied to the actual production, in future research, but also a large number of experiments to obtain a large number of actual data, and lay the foundation for the future application of the method.
   
Key words:machine center; geometric error; multi-body system; error compensation

   

目  录
摘  要 III
Abstract IV
目  录 V
1 绪论 1
1.1 数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义 1
1.2 国内外的发展概况及分析 1
1.3 误差补偿技术研究应达到的要求 1
1.3.1 研究的指导思想 1
1.3.2 应要达到的要求 2
2 数控机床的主要误差来源及补偿方法的研究 3
2.1 数控机床的误差来源及分类 3
2.1.1 数控机床的误差产生的原因及分析 3
2.1.2 数控机床的误差分类 3
2.1.3 数控机床的误差补偿技术研究 4
2.2基于多体系统理论的几何误差模型 4
2.2.1多体系统拓扑结构的描述 5
2.2.2 实际情况下多体系统的位置关系 5
2.3误差分析及参数辨识 7
2.3.1 三坐标误差分析 7
2.3.2 数控机床误差补偿的误差参数辨识 7
2.3.3 误差补偿的实验与结论 10
2.5 本章小结 10
3数控机床加工误差补偿系统 11
3.1几何误差软件补偿法选择与分析 11
3.1.1 误差补偿方法的分类与选择 11
3.1.2 软件补偿数控指令修正算法 11
3.2误差补偿系统的硬件设计分析 14
3.2.1 软件补偿数控指令修正算法 14
3.2误差补偿系统的软件设计分析 15
3.3 本章小结 20
4 数控机床加工的误差补偿及仿真验证 21
4.1 误差补偿系统的软件补偿实验 21
4.1.1 数控机床类型及约束参数的设定 21
4.1.2 机床误差参数辨识模块 22
4.1.3 共建位置及刀具参数输入 23
4.2 数控机床误差补偿软件的仿真验证 24
4.2.1 针对X向测出的误差前后数据记录 25
4.2.2 三坐标轴上误差补偿前后误差值的分析 27
4.3 本章小结 28
5 结论 29
5.1全文总结 29
5.2 存在的问题及分析 29
5.3 数控机床加工误差补偿技术的展望 29
致  谢 31
参考文献 32
附  录 33
   
1 绪论
1.1 数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义
   在现今高科技环境下, 制造领域正向高精度、高质量、高集成度和智能化方向发展,人们对机械产品的精度和质量要求越来越高,要求必须采用高精密制造加工技术,而作为制造加工的主要设备数控机床的精度技术,已成为提高制造水平和国际竞争力的关键技术[1]。为了提高我国制造业在国际市场的竞争力,必须提高数控机床加工精度,提高加工精度重要措施之一是采用误差补偿技术。一方面它无需对机床进行硬件改造,另一方面误差补偿技术也无需投入大量资金,便可较大幅度地提高机床的加工精度,它成为不仅促进了机械技术发展,而且起到推广作用。因此,误差补偿技术逐步发展成为当今提高数控机床加工精度的主要方法。
以往我们主要集中对数控机床技术在机床数控化方面的研究,而忽略了对数控机床精度问题的研究。近年来,随着我国制造业在国际市场的膨胀,我们逐渐开始关注数控机床的性能,数控机床的精度等,材料、制造、安装、检测、控制、环境等诸多因素都会影响数控机床的精度。我们通过对这些影响因素的综合分析与控制,可同时具备运行高速化、加工高精度化的性能[2]。因此,根据当今机械制造业发展的现状和趋势,我们需要在对国际数控机床技术进行跟踪和超前研究的同时,需要投入人才和资金对一些如高性能的数控系统、高精度伺候控制技术、高精度主轴驱动技术和有效的精度保障技术,以及基础理论之类的制约数控机床加工精度的关键技术进行研究[3]。这样才能从整体上提高数控机床现有水平,提高数控机床的加工精度,为更高层次的综合自动化的开发以及更高层次的精度制造技术的发展奠定基础[4]。
1.2 国内外的发展概况及分析
最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1933年,瑞士通过对坐标镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精度的主要因素[5]。由此开始了机床误差的检测、建模和补偿技术研究。就目前来看,在机床误差检测、建模和补偿技术研究和应用中比较有影响的有美国密西根大学、日本东京大学、日立精机、德国柏林工业大学等[6]。其中,美国的密西根大学1996年成功地将热误差补偿技术实施于美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的150多台车削中心上,使加工精度提高1倍以上[7]。
近年来,数控机床加工误差补偿技术以其强大的技术生命力快速地被各国技术人员所认识,并使之得以迅速发展壮大,而今已经成为现代化精密工程的重要技术支柱之一[12]。但从国内来看,数控机床误差补偿技术在工业中应用的例子并不是很多,还没有达到商业化的程度[13]。目前国内误差补偿技术的研究还停留在实验室阶段,还没有看到企业大批量应用误差补偿技术,这说明数控机床误差补偿技术的理论和技术的研究还有待开发[14]。
1.3 误差补偿技术研究应达到的要求
1.3.1 研究的指导思想
本论文针对软件误差补偿技术在工业领域难以获得普遍应用问题,提出了用误差补偿器取代原来的PC机,来实现误差补偿的目的。详细阐述了误差补偿技术涉及的多体系统理论学,并利用软件模拟系统实现误差的补偿,用HP双频激光干涉仪对数控加工中心进行误差测量及辨识的主体思想。该研究对误差补偿技术的应用具有重大的理论价值和实际意义。
1.3.2 应要达到的要求
通过对数控机床加工误差的主要原因及误差来源进行理论分析,针对几何误差进行多系统理论建模,利用软件模拟系统来实现误差的补偿,用HP双频激光干涉仪来证实误差补偿前后精度的提高。

内容简介:
编编 号号无锡太湖学院毕毕业业设设计计(论论文文)题目:题目: 数控机床加工误差补偿技术的研究数控机床加工误差补偿技术的研究 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业学 号: 0923139 学生姓名: 许 政 指导教师: 潘国锋 (职称:副教授 ) (职称: )2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计(论文)无锡太湖学院本科毕业设计(论文)诚诚 信信 承承 诺诺 书书本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) 数控机床加工误差补偿技术的研究 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果,其内容除了在毕业设计(论文)中特别加以标注引用,表示致谢的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级: 机械 93 学 号: 0923139 作者姓名: 2013 年 5 月 25 日I无无锡锡太太湖湖学学院院信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题:一、题目及专题:1、题目数控机床加工误差补偿技术的研究 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 由于数控机床加工精度受到材料、制造、安装、检测、控制、环境等诸多因素影响,特别是超精密加工,每一个因素都可能成为影响机床最终加工误差的主要原因,如果不进行综合分析与控制,任何一项误差源都可能使零件精度超差。鉴于国外数控机床精度研究对数控机床发展的推对作用的成功经验,根据机械制造业发展的现状和趋势,从我国的实际出发,在对国际数控机床技术进行跟踪和超前研究的同时,很有必要集中一定的人才和资金对制约数控机床加工精度的一些关键技术如高性能的数控系统、高精度伺候控制技术、高精度主轴驱动技术和有效的精度保障技术,以及基础理论进行研究。这对提高数控机床的加工精度及从整体上提高数控机床现有水平,为更高层次的综合自动化的开发以及更高层次的精度制造技术的发展均具有重要意义。 三、本设计(论文或其他)应达到的要求:三、本设计(论文或其他)应达到的要求: 了解数控机床加工误差补偿的发展历程,掌握多体系统理论法; II 熟悉 9 线法误差辨识技术和 21 项几何误差参数; 熟练掌握 Z 型扫描以及直流系数和交流系数的编码; 熟悉误差补偿模拟系统的软件和硬件的各个组成部分及使用方法; 能够熟练使用 HP 双频激光干涉仪。对数控加工中心进行误差测量及辨识; 四、接受任务学生:四、接受任务学生: 机械 93 班班 姓名姓名 许 政 五、开始及完成日期:五、开始及完成日期:自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日六、设计(论文)指导(或顾问):六、设计(论文)指导(或顾问):指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名教教研研室室主主任任学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长签名签名 系主任系主任 签名签名2012 年年 11 月月 12 日日 III摘摘 要要加工精度是机床最重要的性能指标之一。本课题运用多体系统运动学为核心的误差分析理论体系,对三轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析,并重点在数控机床误差测量、误差分析建模、误差辨识以及误差补偿等方面的研究,通过建立误差模型,得出误差在刀具运动过程中的传递规律,给出了过程,为了提高加工精度,从而对机床进行了软件误差补偿。本文主要从以下几个方面的内容进行了研究和探讨:(1) 研究了机床的精度分析的基本理论,对多体系统运动学以及基于该理论的机床误差建模、误差辨识及误差补偿的方法作了科学性的研究。数控机床误差参数的正确辨识是数控机床补偿的必要前提条件。(2) 详细分析了三坐标 9 线误差分析方法,以沿 X 向运动为例,算得六项误差参数,继而同理可以推算出沿 Y 向和 Z 向的十二项误差参数,之后又以为例,具体给出其计算xy方法,同理可推算出其余两项垂直度误差 。由此得到 21 项误差,并以 X 向为例,做实验,将测得值和计算的两个误差进行比较,发现误差相差比较小。(3) 详细阐述了软件补偿数控指令的修正算法,再根据此建立了软件补偿系统,分别对软件系统的软硬件流程进行详细阐述,最后通过此项技术的误差补偿,数控机床的各项误差都有所降低,达到了本课题提高机床加工精度的目的。但是本课题的成果尚未应用到生产实际中,在今后的研究中,还要进行大量的实验去获取大量的实际数据,为今后该方法的实际应用奠定基础。关键词关键词:数控机床;几何误差;多体系统;误差补偿IVAbstractThe machining accuracy is one of the most important performance indexes for machinetoolsTheoretical analysis of system error based on the kinematics of multi-body system as the core, the three axis CNC machine tool accuracy problem analyzed system, comprehensive, and focus on the NC machine tool error measurement, error analysis, error identification and the error compensation model etc., by establishing the error model, transfer of error in the tool motion process in conclusion, given the process, in order to improve the machining precision, thus the software error compensation of machine tools. The following issues are mainly studied and addressed in this thesis:(1) Research on the basic theory analysis of the accuracy of machine tools, the kinematics of multi-body system and method of the theory of the machine tool error modeling, error identification and the error compensation based on the scientific study. Correctly identifying the geometric error parameters is a necessary prerequisite for compensation of NC machine.(2) After establishing the precision model of machine tools,the measurement and evaluation of their error parameters have been startedThere are many kinds of error parameters in the machine tool to influence its machining accuracyThe recognized strategies of error measurements and evaluations for machine tools are introducedAfter that,this paper has detailed a new method defined as twelveline method for the sake of making the most of doublefrequency laser interferometers to measure and evaluate 21 geometric errors of three-axis systemBased on these researches,the problems of the error measurement and evaluation of machine tools in the application process of MBS theories are resolved perfectly(3) This paper put forward index systems of machining contour errors,through error compensation of this technology, the NC machine tool error are reduced, reaches the aim of improving the machining accuracy of machine tools. But the result has not been applied to the actual production, in future research, but also a large number of experiments to obtain a large number of actual data, and lay the foundation for the future application of the method.Key words:machine center; geometric error; multi-body system; error compensationV目目 录录摘 要.IIIABSTRACT.IV目 录 .V1 绪论.11.1 数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义.11.2 国内外的发展概况及分析.11.3 误差补偿技术研究应达到的要求.11.3.1 研究的指导思想.11.3.2 应要达到的要求.22 数控机床的主要误差来源及补偿方法的研究.32.1 数控机床的误差来源及分类.32.1.1 数控机床的误差产生的原因及分析.32.1.2 数控机床的误差分类.32.1.3 数控机床的误差补偿技术研究.42.2 基于多体系统理论的几何误差模型.42.2.1 多体系统拓扑结构的描述.52.2.2 实际情况下多体系统的位置关系.52.3 误差分析及参数辨识.72.3.1 三坐标误差分析.72.3.2 数控机床误差补偿的误差参数辨识.72.3.3 误差补偿的实验与结论.102.5 本章小结.103 数控机床加工误差补偿系统.113.1 几何误差软件补偿法选择与分析.113.1.1 误差补偿方法的分类与选择.113.1.2 软件补偿数控指令修正算法.113.2 误差补偿系统的硬件设计分析.143.2.1 软件补偿数控指令修正算法.143.2 误差补偿系统的软件设计分析.153.3 本章小结.204 数控机床加工的误差补偿及仿真验证.214.1 误差补偿系统的软件补偿实验.21VI4.1.1 数控机床类型及约束参数的设定.214.1.2 机床误差参数辨识模块.224.1.3 共建位置及刀具参数输入.234.2 数控机床误差补偿软件的仿真验证.244.2.1 针对 X 向测出的误差前后数据记录 .254.2.2 三坐标轴上误差补偿前后误差值的分析.274.3 本章小结.285 结论.295.1 全文总结.295.2 存在的问题及分析.295.3 数控机床加工误差补偿技术的展望.29致 谢.31参考文献.32附 录.33数控机床加工误差补偿技术的研究11 绪论绪论1.1 数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义在现今高科技环境下, 制造领域正向高精度、高质量、高集成度和智能化方向发展,人们对机械产品的精度和质量要求越来越高,要求必须采用高精密制造加工技术,而作为制造加工的主要设备数控机床的精度技术,已成为提高制造水平和国际竞争力的关键技术1。为了提高我国制造业在国际市场的竞争力,必须提高数控机床加工精度,提高加工精度重要措施之一是采用误差补偿技术。一方面它无需对机床进行硬件改造,另一方面误差补偿技术也无需投入大量资金,便可较大幅度地提高机床的加工精度,它成为不仅促进了机械技术发展,而且起到推广作用。因此,误差补偿技术逐步发展成为当今提高数控机床加工精度的主要方法。以往我们主要集中对数控机床技术在机床数控化方面的研究,而忽略了对数控机床精度问题的研究。近年来,随着我国制造业在国际市场的膨胀,我们逐渐开始关注数控机床的性能,数控机床的精度等,材料、制造、安装、检测、控制、环境等诸多因素都会影响数控机床的精度。我们通过对这些影响因素的综合分析与控制,可同时具备运行高速化、加工高精度化的性能2。因此,根据当今机械制造业发展的现状和趋势,我们需要在对国际数控机床技术进行跟踪和超前研究的同时,需要投入人才和资金对一些如高性能的数控系统、高精度伺候控制技术、高精度主轴驱动技术和有效的精度保障技术,以及基础理论之类的制约数控机床加工精度的关键技术进行研究3。这样才能从整体上提高数控机床现有水平,提高数控机床的加工精度,为更高层次的综合自动化的开发以及更高层次的精度制造技术的发展奠定基础4。1.2 国内外的发展概况及分析国内外的发展概况及分析 最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1933年,瑞士通过对坐标镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精度的主要因素5。由此开始了机床误差的检测、建模和补偿技术研究。就目前来看,在机床误差检测、建模和补偿技术研究和应用中比较有影响的有美国密西根大学、日本东京大学、日立精机、德国柏林工业大学等6。其中,美国的密西根大学1996年成功地将热误差补偿技术实施于美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的150多台车削中心上,使加工精度提高1倍以上7。近年来,数控机床加工误差补偿技术以其强大的技术生命力快速地被各国技术人员所认识,并使之得以迅速发展壮大,而今已经成为现代化精密工程的重要技术支柱之一12。但从国内来看,数控机床误差补偿技术在工业中应用的例子并不是很多,还没有达到商业化的程度13。目前国内误差补偿技术的研究还停留在实验室阶段,还没有看到企业大批量应用误差补偿技术,这说明数控机床误差补偿技术的理论和技术的研究还有待开发14。1.3 误差补偿技术研究应达到的要求误差补偿技术研究应达到的要求1.3.1 研究的指导思想研究的指导思想本论文针对软件误差补偿技术在工业领域难以获得普遍应用问题,提出了用误差补偿器取代原来的PC机,来实现误差补偿的目的。详细阐述了误差补偿技术涉及的多体系无锡太湖学院学士学位论文2统理论学,并利用软件模拟系统实现误差的补偿,用HP双频激光干涉仪对数控加工中心进行误差测量及辨识的主体思想。该研究对误差补偿技术的应用具有重大的理论价值和实际意义。1.3.2 应要达到的要求应要达到的要求通过对数控机床加工误差的主要原因及误差来源进行理论分析,针对几何误差进行多系统理论建模,利用软件模拟系统来实现误差的补偿,用HP双频激光干涉仪来证实误差补偿前后精度的提高。数控机床加工误差补偿技术的研究32 数控机床的主要误差来源及补偿数控机床的主要误差来源及补偿方法的研究方法的研究机械加工误差是指零件加工后的实际几何参数(几何尺寸,几何形状和相互位置)与理想几何参数之间偏差的程度。为了提高数控机床加工精度,必须对数控加工过程中所产生的误差进行详细分析,采取相应的措施,才能针对所产生误差进行补偿,为此,本章节会先分析产生加工误差的原因,并以多体系统理论为基础,针对一般和具体情况进行数控机床误差建模分析、参数辨识和误差补偿。 2.1 数控机床的误差来源及分类数控机床的误差来源及分类2.1.1 数控机床的误差产生的原因及分析数控机床的误差产生的原因及分析一般的数控机床主要由床身、立柱、主轴和各种直线导轨或旋转轴组成其中的每一部分都会产生误差。数控机床的加工误差来源于以下几个方面:机床的原始制造,装配缺陷等造成的机床几何误差;机床的控制系统产生的误差;切削力引起的误差;机床的振动误差,在切削加工时,其运行状态有可能落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振误差;外界干扰误差,由于环境的变动,比如温度,邻近振动,电压波动,空气湿度等,和运动工况的变化引起的随机误差等;由于机床的内部热源和外部热源的作用导致的机床结构热变形而产生的误差;机床受力引起的机床几何变形误差,包括工件和夹具重力,装夹力等9。本论文研究的误差补偿技术主要是针对机床的原始制造,装配缺陷等造成的机床几何误差、机床的控制系统产生的误差、切削力引起的误差、颤振误差、机床受力引起的机床几何变形误差等。由于本论文是研究机床的整体精度,所以不深入伺服系统内部进行研究,而外界干扰误差相当于小的多,也不是影响加工精度的主要误差源。鉴于此,本论文对外界干扰误差也不作深入研究。2.1.2 数控机床的误差分类数控机床的误差分类从误差来源还可以分为几何误差及运动误差、熟误差、伺服控制误差和切削力误差等四个大类。如下表所示,在机床的各种误差源中,热误差及几何误差为最主要的误差10,分别占了总误差的28和22,所以减少这两项误差是提高机床加工精度的关键。表 2-1 误差比例分布图误差总分类具体误差具体比例总比例几何误差22%机床误差热误差28%50%刀具误差13.5%夹具误差7.5%工件热误差6.5%加工过程误差操作误差7.5%35%无锡太湖学院学士学位论文4检测误差15%从表2-1可以看出,数控机床各误差源中,几何误差和热误差所占的比重最大,所以减少这两项误差特别是其中的热误差是提高机床加工精度的关键,而腻越是精密的机床,热误差占总误差的比例越大,本论文数控机床的误差补偿技术主要是针对几何误差实施的。2.1.3 数控机床的误差补偿技术研究数控机床的误差补偿技术研究分析定位误差的误差来源后,可以通过以下两种方法来减小机床定位误差:分别是误差防止法和误差补偿法。误差防治法是通过设计和制造途径消除或者减少系统外的误差源影响,并且采用严格的温度控制、隔振措施、气流扰动以及环境状态的控制以消除或减少系统外的误差源影响。而误差补偿则是通过检定机床各种误差或分析误差成因,依据检定的结果及误差模型对机床各坐标轴的运动适当的修正来提高机床的精度,其实则是人为的造出一种新的误差去抵消当前的原始误差,从而达到减少加工误差,提高零件的加工精度的目的。因此可以看出,误差预防法有很大的局限性,即使能够实现,在经济上的代价往往也是很高的。而误差补偿法是使用软件技术,人为产生出的新的误差去抵消当前成为问题的原始误差,是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。数控机床加工误差补偿技术的研究主要就是研究误差的补偿技术。下图是误差补偿关键技术的分布图,主要分为三个关键技术,分别是误差测量技术、误差建模技术和补偿实施技术。图 2.1 误差补偿关键技术2.2 基于多体系统理论的几何误差模型基于多体系统理论的几何误差模型数控机床几何误差模型的正确建立是精度分析、误差辨识和误差补偿的前提条件。误差建模分为误差运动学建模和误差辨识建模,机床精度建模指的就是误差运动学建模。由于误差补偿最初只针对单项误差源,并不需要精度数学模型,随着机床结构的复杂度和精度的提高,误差建模成了误差补偿的基础,因此,逐渐发展了多种不同的建模方法。数控机床误差建模先后经历了三角几何法、误差矩阵法、神经网络法、矢量描述法、刚数控机床加工误差补偿技术的研究5体运动学法和多体系统理论法。多体系统是一般机械系统最为全面的完整抽象、高度概括和有效描述,是分析和研究机械系统的最优模型。任何机械系统都可以通过抽象,提炼成多体系统。2.2.1 多体系统拓扑结构的描述多体系统拓扑结构的描述多体系统是指由多个刚体或柔体, 通过某种方式联接而成的复杂机械系统, 而数控机床是特殊的多体系统。用低序体阵列描述系统的拓扑结构是多体系统理论的一大特点, 描述每个体的位置、姿态以及体与体之间的运动副情况, 可以得到任意两个体间的位置关系15。图2-1就是一个典型的多体系统。O123456789R图 3.1 多体系统示意图2.2.2 实际情况下多体系统的位置关系实际情况下多体系统的位置关系在实际操作中,相邻体相对运动的位置关系会因误差的存在而发生改变,如下图2-3所示:当位移和误差均为零时,与重合。表示体中的原点与体中的原点KOkQkqjBjOkB间初始位置矢量,而表示位置误差矢量。表示相对于的位移矢量,则KOkeqkSkBjBkeS表示位移误差矢量。并且在位置矢量和位移量之间点增加一个坐标系,将改变kQkpRKR为,且定义为位置坐标系,而为位移坐标系。KSRkpRKSR无锡太湖学院学士学位论文6 图 2.3 有误差时多体系统中典型体及其相邻低序体如上图所示,根据矢量的关系,可以得到: (2-1) kekkekKjssqqOO (2-2)kpkekPkekkjRssSOKRjqqSOJROO如果不考虑方位误差,则可以得到: (2-3)SPSJKSJKSJK式中表示与相对位移间的方位变换矩阵;表示与相对位置SSJKkBjBPSJKkBjB间的方位变换矩阵,如下式。 (2-4)MQMFNPENPFMEMQMPENFMPFNEPQEQFFEEFQPPQNMMNSJKp100000010000001其中,。KSinMKCosNKSinPkCosQKSinEkCosF式中,是相对于的相对位置变换矩阵卡尔丹角。kkkkBjB令,表示位置方位误差。由于,都是一个相对较小的值,kepkepkepkepkepkep则令,其他的同理类推。所以位置方位误差矩阵可以1kepCoskepkepSinpeSJK简化为: (2-5)111speABACBCSJK 其中, 。 kepAkepBkepC体相对于体的平动位移变换矩阵是单位阵。其中转动为体和体的x轴转动kBjBkBjB数控机床加工误差补偿技术的研究7、绕体的y轴转动以及绕体的z轴转动。其对应的变换矩阵分别是:jBjB (2-6) cossin0sincos0001sSJK (2-7) cos0sin010sin0cossSJK (2-8) 1000cossin0sincossSJK 如果令,表示位移方位误差,当方位误差相对很小时,可以取kepkepkep,其余类推。则位移的方位误差矩阵可以表示为:1kepCoskepkepSinseSJK (2-9)111seABACBCSJK其中, 。当存在方位误差的时候,根据传递的关系,则有kesAkesBkesC (2-10)SeSPePSJKSJKSJKSJKSJK假设体上任意点为(如图2-3所示),其它在参考系R中的位置方程为:P (2-11) ksksvpveVpRsvevutRRPSOKRSSSOVqqSOSOP02.3 误差分析及参数辨识误差分析及参数辨识2.3.1 三坐标误差分析三坐标误差分析数控机床的工作部件需要6个自由度来确定它的位置,即它的方向和定位。6个自由度具体是指3个平移和3个转角,所以实际操作中误差产生的误差源也有6个。对于只有三个运动轴的三坐标机床来说,当机床沿X轴运动时,在、方向存在线位),(ZYXXYZ移误差,及绕、方向存在的角位移误差: )(xx)(xy)(xzXYZ)(xx)(xy,则这六项误差如下图所示:)(xz无锡太湖学院学士学位论文8图 2.4 X 轴的 6 项几何误差同理可得,沿、轴运动时的误差。另外、坐标轴间有3项垂直度误差。YZXYZ因此,三坐标数控机床共有21项几何误差,具体如下表所示:表 2-2 21 项几何误差参数误差性质线位移误差角位移误差误差方向沿 沿 沿XYZ绕 绕 绕XYZ位移X )(xx)(xy)(xz )(xx)(xy)(xz位移Y )(yx)(yy)(yz )(yx)(yy)(yz位移Z )(zx)(zy)(zz )(zx)(zy)(zz垂直度、 、xyyzzx2.3.2 数控机床误差补偿的误差参数辨识数控机床误差补偿的误差参数辨识作为数控机床加工的误差补偿研究的前期工作基础,误差辨识的准确性直接关系到系统的补偿精度。近年来,基于多体系统运动学的误差辨识方法被学者们所关注,主要有22线法及其改进法、14线法、9线法和15线法等。9线法是沿着每个坐标测定3条单动线的位移误差和部分直线度误差,即可确定全部误差参数。以轴坐标为例,在平面内选定3个互不相关的点,、XYOZ111,zyx、,使用激光干涉仪测量坐标位置不同的这三个点沿 X 轴向运动的222,zyx333,zyx误差值。令:)(),(),(),(),(),()(322111xXxYxXxZxYxXxX且令:)(),(),(),(),(),(xxxxxxzyxzyxx则:)(XxxX对线 1,假设测量其X轴向运动的位移误差为,以及Y向和Z向的直线度误差)(1xX为与,则有如下关系式:)(1xY)(1xZ (2-12)111)()()()(zxyxxxxyzx (2-13)111)()()()(xxzxxxyzxy (2-14)111)()()()(xxxxxxzxyz对线 2,假设测量其X轴向运动的位移误差为,以及 Y 向的直线度误差为)(2xX,则有如下关系式:)(2xY (2-15)222)()()()(zxyxxxxyzx (2-16)222)()()()(xxzxxxyzxy对线 3,假设测量其X轴向运动的位移误差为,则有如下关系式:)(3xX (2-17)333)()()()(zxyxxxxyzx即:数控机床加工误差补偿技术的研究9 (2-18)()()()()()(010000100010000100010001)()()()()()(112211332211121321xzxyxxxzxyxxxyxzxzyzyzyzxzxyxyxxxxxx此式左边是测量值,当选取适当的测点位置,使得系数矩阵为满秩,可得到X的唯一解。X由于辨识对应每一运动轴的六项几何误差的测量需在三条测量线上完成,故对三轴数控机床而言,共需确定九条测量线,如图 3.7 所示。图 2.5 九条测量线示意图当在测量轴向运动的几何误差时,将测量线1选定为过点的直线,即为在X0 , 0 , x平面与平面的交线,将测量线2选定为过点的直线,也就是说在0Z0Y22, 0 ,zx平面内。而将测量线3选定为过点的直线,则将式(2-18)可以 变换为:0Y333,zyx (2-19)()()()()()(0001000010000010000100001000001)()()()()()(22332121321xzxyxxxzxyxxxzyzzxzxyxyxxxxxx沿测量线 1、4、7,对 、轴的直线度误差进行测量之后,再利用各轴的直XYZ线度误差数据,可以计算出三项垂直度误差、。下面以计算这一项垂直xyyzxzxy误差为例,具体说明垂直度的计算方法。无锡太湖学院学士学位论文10图 3.8 垂直度误差示意图当已知的直线度与在各测点线与标准坐标轴 和之间存在的偏差角分)(xy)(yxXY别为、,根据如图所示的各角关系,则有xy (2-20)yxxy9090即 (2-21)xyxy若当,表示X、Y坐标轴之间不是垂直的。0xy同理,可求出、。yzxz2.3.3 误差补偿的实验与结论误差补偿的实验与结论测量实验室在一台配备有华中数控系统的S-1500的三轴立式数控机床上进行的,为了防止温度误差影响测量的准确性,室温控制在20左右。使用HP5528A 双频激光干涉仪进行测量。这里以辨识 X 轴的偏摆角和俯仰角为例,说明九线测量法的实际运用。并且测量范围为0500mm,测量的间隔为50mm,在每个点上测量5次,取平均值以减少随机误差。在坐标系中,取三个点,分别为、和 。当他们)78, 0 ,(11xb)78,100,(22xb)198, 0 ,(33xb沿着X轴运动的时候,测得位移误差为、,根据式(2-12)和(2-)(1xx)(2xx)(3xx15)可以推算得出、,如下表2-3所示。而测得的、如下表2-4所示。)(xy)(xz)(xy)(xz表 2-3 测量数据及和的计算辨识结果)(xy)(xz测点序号)( m1234567891011)(1xX0.01.1-4.8-1.8-2.9-2.0-4.6-1.3-)(2xX0.01.2-4.7-1.6-2.6-1.2-3.7-0.21.02.02.5)(3xX0.01.0-5.2-2.7-4.1-3.6-6.5-3.3-2.3-1.8-1.9)(xy0.0-0.8-3.5-7.7-10.2-13.1-15.8-16.5-17.6-20.2-24.4)(xz0.01.0-1.1-2.3-3.4-8.5-9.4-10.7-11.6-14.3-14.8数控机床加工误差补偿技术的研究11表 2-4 和的实测值)(xy)(xz测点序号)( m1234567891011)(xy0.0-1.9-5.3-8.5-11.8-14.4-16.1-17.3-19.0-22.3-25.3)(xz0.02.4-0.3-3.5-4.4-7.3-10.0-12.5-13.9-16.0-17.1分析两表可知,九线法可以用于测量和辨识三坐标加工中心的全部 21 项几何误差。只要被测机床具有良好的稳定性和重复性,几何误差的辨识精度可以得到保证。按照同样的方法可以计算出三坐标剩余的19项误差。2.4 本章小结本章小结本章节首先阐述了数控机床误差产生的原因,误差的分类以及误差补偿的关键技术。选择了合适的误差补偿方式,即以误差综合建模,使用直接测量法,进行实施补偿。紧接着对多体理论系统进行了说明,并基于多体系统理论学的数控机床进行误差补偿建模。通过检测机床的结构参数和误差参数,来实现误差补偿的算法。描述了三坐标数控机床存在的2l项几何误差参数并且介绍了9线法误差参数辨识技术。并以X轴向运动为例,用实验证明了误差项和的计算分析的数据,和测量得到的数据相差甚微。)(xy)(xz无锡太湖学院学士学位论文123 数控机床加工误差补偿数控机床加工误差补偿系统系统本章节详细介绍了软件补偿的方法,先通过确定数学模型关系式,直接计算出能实现误差补偿的数控指令,从而精确计算出实现误差补偿的修正指令,再介绍误差补偿的硬件系统和软件系统,通过流程图,直观详细地分析了误差补偿的整体过程。3.1 几何误差软件补偿法选择与分析几何误差软件补偿法选择与分析3.1.1 误差补偿方法的分类与选择误差补偿方法的分类与选择数控机床误差补偿的方法一般分为硬件补偿法和软件补偿法两种。硬件补偿方法是利用专用的硬件模块来进行误差补偿的。而软件误差补偿方法是依据机床的具体几何误差模型,利用软件程序自动生成适用于该机床的误差补偿算法。由于硬件补偿固有的缺陷,本章节采用基于误差模型的软件补偿方法,对理想数控指令进行修正,通过修正后的数控指令值驱动数控机床,使机床刀具中心精确运动到加工点,实现误差的补偿。而软件补偿又分为列表型和函数型。区别在于列表型是将实测误差补偿点或根据实测误差曲线确定补偿点,列成误差修正表或矩阵存入到计算机,当进行误差补偿时,若机床的实际变量(位置坐标、力、温度等)与误差修正表中的某个数据点(或补偿点)相同的时候,则通过查表取出该点误差的修正矢量,来进行差修正;而函数型,则如下图所示,就是通过理论分析或者实测误差数据建立误差数学模型,将误差的函数表达式存入计算机,根据机床和仪器的现在的坐标位置以及其它变量(温度、力、和刀具磨损等),由误差函数式实时求出其误差修正量进行误差补偿。图3.1 误差补偿原理示意图3.1.2 软件补偿数控指令修正算法软件补偿数控指令修正算法按照3.1.1小节所阐述的软件补偿方法,则要先建立起误差修正的算法模型。由于数控指令主要是指理论指令和实际数控指令。理论指令顾名思义就是指理想运动模型对刀具路线编写的指令,而实际指令是在实际驱动伺服电机的指令。因为在理想指令的操作下,由于存在误差。所以,要将计算出的修正算法反向叠加到理想指令上,即重新生成的实际指令。数控机床加工误差补偿技术的研究13图3.2 软件误差补偿中实际数控指令的直接计算流程由数控机床的模型可知,设数控机床的刀具坐标系为,则在此坐标系上已iiizyxO 成形的点M的坐标为: (3-1)TttttzyxM1 ,则它在理想指令下运动成形的坐标为: (3-2) TtttwzyxAM1 ,上式为理想成形函数的一般形式,只是根据机床模型的不同,对应的矩阵会有差A异,其中矩阵是指数控机床部件的理想特征矩阵与理想运动特征矩阵。A在实际加工时,刀具会因为外界的各种原因产生几何误差、热误差等,所以在理想指令下刀具运动的轨迹不符合要求,影响精度,要通过数控指令的修改来获得需要的轨迹。我们可以根据数控机床成形运动模型建立数学模型关系,直接计算出能实现误差补偿的数控系统,从而精确计算出实现误差补偿的修正指令,其计算流程图如下图所示:下面以三轴立式FXYZ数控机床为例,具体阐述误差修正的计算流程图。理想指令下刀具成形点位置运动的约束方程为:= wM1000100010001wwwzyx100001000010001x100010000100001y100010000100001z1000100010001tttzyx (3-3)100l 无锡太湖学院学士学位论文14 即可得到刀具路线至数控指令的理想关系式: =+ (3-4) 1zyx1wzwywxMMM1wwwzyx100l 实际指令下刀具成形点的位置约束方程为:=wM1000111wwwdwwwdwwwzyx1000100010001wwwzyx100001000010001x1000111xxxxxxxxzxyx10000100001001xyxy100001000100001y1000111xyxyyyyzyxyx100001010001yzxzxzyz100010000100001z (3-5)100011001zzzztzzzy1000100010001tttzyx1000111tttttttttzyx100l 实际数控指令生产的计算过程:由于数控指令的实际关系等式的右侧中都包含了数控指令值,故不能直接计算出刀具路线上的点所对应的实际数控指令,需要采用数值的迭代法。数控指令初值就是理论数控指令::=+ (3-6)1000zyx1wzwywxMMM1wwwzyx100l将计算得到的数控指令的第一步迭代值再次代入进行循环计算,其关系式为:=1111kkkzyx1000111wwwwwwwwwzyx1000100010001wwwzyx100001000010001kx1000111xxxwxxxxxzyx10000100001001xyxy100001000100001ky数控机床加工误差补偿技术的研究151000111xyxyxyyyyzyx100001010001yzxzyzzx100010000100001kz-+100011001zzzztzzzy1000100010001tttzyx1000111tttttttttzyx11001wzwywxMMM (3-7) 1kkkzyx迭代终止判断:不停进行判断迭代终止的条件,直到满足下面的终止条件,输出最后一次计算得到的数控指令。此指令为实际数控指令。 (3-8)zwzkwzkywykwykxwxkwxkPPPPPP1113.2 误差补偿系统的硬件设计分析误差补偿系统的硬件设计分析 为了验证误差补偿的正确性,下面进行实验验证,主要是用数控机床误差软件补偿系统进行测量及分析。3.2.1 软件补偿数控指令修正算法软件补偿数控指令修正算法数控机床加工的误差补偿软件系统包括硬件和软件两个方面,其硬件部分主要是由检测元件、数据采集处理系统、检测援建数据安装附件以及数控机床四个部分组成。其结构图下图所示:图 3.1 误差补偿系统硬件结构图硬件部分的检测元件主要是测量传感器,通过测量传感器完成测量位移的功能,让测量的位移信息通过传感器转变为电压信号;误差数据采集与处理系统是误差的补偿控无锡太湖学院学士学位论文16制器,它主要是完成数据的采集,参数的设置,精度评价以及误差补偿数据等功能。快速安装附件主要是测量Z轴误差时检测元件的安装及检测元件与数控机床的快速连接。其硬件的整体系统关系示意图如下,即用传感器测得的误差数据,经过误差数据采集与处理系统,生成修正算法的程序代码再作用于数控机床,起到补偿补偿的作用从而得出数控机床精度标定的结果。图 3.2 误差补偿系统示意图硬件部分的整个系统大致关系如下图所示,其具体过程是,从插补器获得数控机床下一插补周期里要移动的指令位移,根据指令位置累加器,得到一下周期所要达到的指令位置,再用传感器将测得的下一位移指令位置转变为电压信号,然后通过模数转换器(A/D),将转换的电压信号转换为数字信号,送至数控装置的接口电路,计算机以固定的时间周期对反馈信号进行采样,将采样值与插补的值进行比较,得到位置偏差,将该偏差建立数学模型,计算出的修正算法反向叠加到理想指令上,而后经过进放大器增益变大,再经过数模转换器(D/A),为伺服装置提供控制电压,进而驱动工作台减小偏差的方向位移。传感器A/D转换误差数据处理插补器D/A转换伺服驱动电机工作台Ec 增益放大器实际位置信息反馈修正后程序图3.3 误差补偿硬件流程图3.3 误差补偿系统的软件设计分析误差补偿系统的软件设计分析数控机床加工误差补偿技术的研究17软件设计是以Visule C+6.0为平台,其主要功能模块与硬件部分相对应,主要就是指3.2节里面的误差数据采集与处理系统进行数据编程。它主要包括的五个功能模块,分别是软件参数设置、检测、精度评价、误差补偿、原始数据显示。另外它还能再补偿结束后能够自动复位,或者手动复位。故按照程序可分为一个主流程和三个主要的子流程,分别为通信模块、误差补偿模块及复位模块。无锡太湖学院学士学位论文18Y初始化系统寄存器按键初始化配置外扩存储器显示初始化配置 IO 端口 通用定时器配置 UARTO 以查询方式发送接收系统中断设置启动计算器等待接收程序接收完毕?等待发送程序补偿处理完毕?程序发送完毕?NYNYStart结束N等待误差补偿处理图 3.4 主流程图数控机床加工误差补偿技术的研究19软件设计部分的子程序包括:通信模块、误差补偿模块及复位模块。其流程图分别为:通信模块:帧错误?开始数据包头?下一字符为关键字符?超时存入外部 RAM误差补偿模块置出错标志位等待发送结束YNNNYNY图 3.5 通信模块流程图无锡太湖学院学士学位论文20误差补偿模块:识别 G01、G02、G03、X、Y、Z开始X 坐标修正Y 坐标修正Z 坐标修正全部补偿完毕?置补偿完毕标志位结束NY图 3.6 误差补偿模块流程图复位模块:复位脉冲开始出错标志位置位?结束看门狗定时器溢出?NYNY图 3.7 复位模块流程图数控机床加工误差补偿技术的研究21其中误差补偿处理子程序是根据几何误差模型完成精密加工指令的生成,并存储于外扩存储器。通信处理子程序是执行误差补偿装置与工控机系统的数据传输任务,一方面执行将数控加工程序传输给误差补偿装置任务,另一方面执行从外扩存储器读取几何误差补偿后的精密加工指令并传输给工控机系统任务。误差补偿的软件编制过程中,编制好的源程序通过编译转化成可执行的目标代码,此阶段编译或汇编软件就会检查源程序的语法错误。软件仿真调试是在程序编译完成后,通过检测输出信号的高低电平以及单片机相关端口的变化,用以判断调试程序的正确性。由于误差补偿器的程序主要采用C语言编制,因此使得程序的调试相对简单,使调试工作进行较为顺利。其具体程序见附录。其软件程序的主界面如下图所示:图 3.8 误差补偿软件主页面3.4 本章小结本章小结本章是介绍的软件模拟系统的硬件和软件组成部分,其中软件部分是通过程序来控制硬件的运行操作,构成一个软件补偿测试的系统。熟悉其构造和使用方法后,就能测出数控机床补偿前后精度的变化。无锡太湖学院学士学位论文224 数控机床加工的误差补偿及仿真验证数控机床加工的误差补偿及仿真验证本章节主要介绍了先用软件补偿系统对数控机床进行检测、评价及补偿,再利用HP双频激光干涉仪对数控加工中心进行误差仿真测量及辨识,验证经过补偿系统的补偿前后精度的变化。4.1 误差补偿系统的软件补偿实验误差补偿系统的软件补偿实验4.1.1 数控机床类型及约束参数的设定数控机床类型及约束参数的设定使用误差补偿软件首先要确定机床的类型,点击【机床】菜单,输入数控机床机构及运动约束参数,如下图所示。图 4.1 定义机床界面点击【设置机床运动轴状态】,将会弹出下图所示的设定机床状态的对话框,如下图4-2所示,在此窗体中,分别设置机床工件分支与刀具分支中各运动部件体参考坐标系相对于其相邻低序部件的位置与姿态关系。点击【确定】后跳出绝对零点时各运动部件相互位置关系的对话框。输入相对于设定的值,再点击【确定】,则机床的约束参数输入完毕。数控机床加工误差补偿技术的研究23图 4.2 设定定义机床状态界面 图 4.3 绝对零点时各运动部件相互位置关系界面4.1.2 误差参数的辨识模块误差参数的辨识模块设定机床参数后,要进行几何误差参数辨识,结果保存到误差参数数据库中,在进行补偿计算时通过查询参数数据库取得相应指令对应的几何误差值。主窗口中单击【误差参数辨识】按钮,依次能够辨识出方向的误差参数,如下图所示:ZYX,无锡太湖学院学士学位论文24图 4.4 辨识 X 向误差参数界面4.1.3 零件位置及刀具参数输入零件位置及刀具参数输入在主窗体上单击【设置刀具】弹出下图4-5和4-6所示的刀具参数窗体及对刀体窗体,分别输入刀具参数与原点。 图4.5 刀具参数界面 图4.6 对刀点界面为了实现误差的补偿,利用9线法对数控机床的三轴进行了位移量误差测量,并建立了实验数据库。数控机床加工的零件通常加工的运动轨迹由直线和圆弧组成,按照上一章节中所设计的,编制出数控加工的指令代码。在理想情况下,程序控制刀具所走的轨迹称之为指令组成的程序段。但在实际加工中,根据这些指令不能得到理想的轨迹,所以需要对机床的运动情况进行分析归纳,对数控指令进行修正,使得刀具轨迹和理想轨迹比较接近,因为数控机床误差补偿软件是对加工轨迹上的一些点进行补偿,即将原来的一条直线或是圆弧分解成离散的点,使得在该点的刀具接近理想轨迹的位置,这就是离散的性补偿。由于刀具在实际运动过程中并不一定是线性的,所以并不能完全消除运动误差,但通过对直线或圆弧上分解的离散的点逐个进行补偿,使得加工轨迹控制在理想轨迹附近,从数控机床加工误差补偿技术的研究25而达到了误差补偿的目的。本论文里面设计的数控加工补偿软件可以通过对话框中输入原始数控指令来得到修正后的数控指令。再利用激光干涉仪测量当前的位置数据,程序能根据要输入刀具当前位置和目标位置的坐标,生成补偿前的控制代码和补偿后的控制代码,并将它们代码保存到一个NC文件里。在正常情况下,原始指令一般要存在放一个文本文件中,运行程序时,要先读取原来的加工程序,提取正确的指令和数据,并对之进行误差补偿计算。通过这种方法来完成数据的提取,读完数据后,逐行进行信息处理,并到相应的误差补偿模块去补偿,生产新的数据和加工代码,如下图所示:4.7 原始数控指令界面4.8 数控加工补偿后生产的程序界面4.2 数控机床误差补偿软件的仿真验证数控机床误差补偿软件的仿真验证无锡太湖学院学士学位论文26为了验证数控机床加工误差补偿软件的正确性,本节进行仿真处理。仿真不仅可以节约成本,而且还可以推算出新的加工程序出现的误差,进一步发现问题。仿真具体可以显示在补偿前后的刀具轨迹和工件的理想轨迹。通过对补偿前的刀具轨迹的分析,计算出实际加工时产生的具体误差,再将补偿后测得的数据与之比较,验证补偿系统的正确性。本节采用对刀具的路线分段处理,将已测得的刀具路线在不满足精度范围内的点,分为前后两段,然后分别对每一段重复进行上述步骤,直到补偿后的路线全部在精度范围之内。如果将给定的直线分为段,那么需要条直线数控指令和个数控指令修正值XX1X来控制机床刀具沿给定的直线运动。由于是分段进行数控指令的修正,则能更精确的接近理想的刀具轨迹。在软件补偿作用于的机床,用激光干涉仪将实际测得的原始参数和机床的结构参数存入计算机。根据存入的参数,系统每隔8毫秒中断并做一次控制指令插补修正运算,用修正后的指令同时作用于机床的各轴运动,实现误差的实时补偿。4.2.1 针对针对 X 向测出的误差前后数据记录向测出的误差前后数据记录把上述的补偿方法用软件在华中世纪星数控系统上实现,并在装有华中世纪星数控系统的 DM4600加工中心上进行了定位误差的补偿实验。本试验是在气温30度,开机运行2个小时后(尽量减少热的影响),如下图所示,激光干涉仪测量零件布局。图 4.9 激光干涉仪测量零件首先用激光干涉仪对X轴进行测量,分别测出误差补偿前后不同位移点的位置,下图为使用激光干涉仪测量机床 X 轴时的布局。 图 4.10 使用激光干涉仪测量机床 X 轴时的布局 下表为首先利用激光干涉仪测的补偿前10位移点的五次测量数据,并对其进行求平均值。表 4-1 误差补偿前 10 个位移点的五次测量数据数控机床加工误差补偿技术的研究27测量次数测量原点位置测量点1测量点2测量点3测量点4测量点5测量点6测量点7测量点8测量点9测量点10第一次测量值050.0013100.0025150.0039200.0053250.0065300.0075350.0084400.0092450.0108500.0121第二次测量值0.550.0018100.0029150.0041200.0056250.0068300.0080350.0092400.0101450.0116500.0121第三次测量值0.550.0014100.0027150.0038200.0054250.0063300.0071350.0084400.0091450.0107500.0123第四次测量值0.750.0019100.0031150.0042200.0057250.0069300.0083350.0094400.0103450.0023500.0123第五次测量值0.950.0021100.0032150.0043200.0056250.0064300.0071350.0083400.0091450.0106500.0121平均值0.4250.0017100.0029150.0041200.0053250.0064300.0076350.0084400.0098450.0116500.0122理论位置(mm)050100150200250300350400450500利用之前介绍的软件仿真,在补偿后,再次测出同一数控机床零件的10个位移点五次测量数据,并对其进行平均求值,其结果入下图所示:表 4-2 误差补偿后 10 个位移点的五次测量数据测量次数测量原点位置测量点1测量点2测量点3测量点4测量点5测量点6测量点7测量点8测量点9测量点10第一次测量值050.0001100.0001150.0001200.0004250.0016300.0023349.9998400.0020450.0018500.0024第二次测量值0.150.000399.9999150.0005200.0003250.0014300.0021350.0004400.0024450.0017500.0021第三次测量值0.250.0004100.0002150.0004200.0002250.0020300.0019350.0001400.0022450.0019500.0024第四次测量值0.150.000099.9995150.0007200.0001250.0016300.0021350.0004400.0018450.0016500.0025第五次测量值050.0002100.002150.0008200.0005250.0019300.0025350.0003400.0023450.0020500.0021平均值0.0850.0002100.001150.0005200.0003250.0017300.0022350.0002400.0021450.0018500.0023理论位置(mm)050100150200250300350400450500无锡太湖学院学士学位论文28如上述方法,也可测量出Y和Z方向上的补偿前后数据的具体值,对这些数据整理分析,做出折线图,能够更直观的看出补偿前后,精度的变化。4.2.2 三坐标轴上误差补偿前后误差值的分析三坐标轴上误差补偿前后误差值的分析按照上一节所示,测出三轴方向上的数据,并进行处理分析,可以得出下面的折线图(1)X轴方向补偿前后精度图如下图所示,可以看出补偿前后误差值的轨迹,其中补偿前最大误差约为12,补m偿后最大误差约为2。mX轴补偿前后比较-4-202468101214050100 150 200 250 300 350 400 450 500误差(um)位移(mm)补偿前误差值补偿后误差值图 4.11 X 轴线 1 补偿前后误差比较(2)Y轴方向补偿前后精度图按照上述方法,可以测得Y轴向上补偿前后误差值的轨迹,其中补偿前最大误差约为-8.6,补偿后最大误差约为-1。mm数控机床加工误差补偿技术的研究29Y轴补偿前后误差比较-10-8-6-4-2024050100150200250300误差(um)位移(mm)补偿前误差值补偿后误差值图 4.12 Y 轴线 2 补偿前后误差比较(3)X轴方向补偿前后精度图按照上述方法,可以测得Z轴向上补偿前后误差值的轨迹,其中补偿前最大误差约为-4.5,补偿后最大误差约为-0.8。mmZ轴补偿前后误差比较-5-4-3-2-1012050100150200250300350400误差(um)位移(mm)补偿前误差值补偿后误差值图 4.13 Z 轴线 3 补偿前后误差比较 4.3 本章小结本章小结本章主要是实时记录了仿真的过程,并对仿真得到的结果数据进行分析,由那些折线图可以看出,经过补偿系统误差补偿后的机床,精度有了明显的提高。无锡太湖学院学士学位论文305 结论结论总结数控机床加工误差补偿技术的研究,并分析此技术并未被企业所掌握和广泛应用的原因,及其存在的局限性。 5.1 全文总结全文总结本论文主要是基于多提系统理论学,针对数控机床的几何误差进行数学建模,并设计软件误差补偿系统进行误差补偿,最后用仿真技术对补偿前后的精度进行确认。其具体来说包括以下几个方面:(1)基于多体系统理论学建立了数学模型,研究了九线法几何误差辨识法。(2)使用了先进的激光干涉仪等测量设备,对三轴数控机床的所有几何误差进行了测量分析,计算了几何误差数值。(3)建立了补偿多轴机床误差的数控指令修正方法,以三轴机床为实验对象,开发了三轴数控机床的误差补偿软件系统,对直线运动进行了误差补偿研究,解决了高精度与低成本之间的矛盾。 5.2 存在的问题及分析存在的问题及分析误差补偿虽然能满足工厂的高精度、低成本的实际生产要求,但是在实际情况下,该项技术并未在国内各机床生产企业所掌握的和广泛应用,究其原因,可以归结为以下几点:(1) 误差补偿技术缺少程式化的、通用化的数控机床空间建模方法,数学模型无法适用于同类型的不同机床的使用; (2)误差参数辨识技术还不成熟,误差快速辨识实现还比较困难;(3)误差补偿的实施手段受到数控系统硬件和程序的开放性限制;(4)企业在误差补偿技术和数控技术的研究投入还不够,不能将补偿技术很好的嵌入数控系统,不能大规模地在工业领域当中应用。(5)有些加工误差与机床的被加工对象相关,如不同材质的加丁件,或因质量问题导致的加丁件原材料属性不均衡等。由以上观点可以看出,欲要摆脱此种现状,需要加大对误差补偿技术的研究,并建立合适的误差模型,从简单到复杂,逐渐建立误差补偿技术的应用体系。如本论文第二章提到的基于多体系统理论的数控机床的几何误差的综合数学模型的补偿方法、三坐标数控机床存在的2l项几何误差参数、9线法误差参数辨识技术等。运用这些技术后,能够不断地提高误差的辨识速度和精度,从而有效提高数控机床的精度。5.3 数控机床加工误差补偿技术的展望数控机床加工误差补偿技术的展望通过上一章的测试数据分析,可以看出软件补偿法能使精度大幅度提高。而且是在不改变原有数控设备结构、无须大量的资金投入的情况下完成的。目前国内外专家学者已对机床误差防止和补偿技术做才出了大量的研究工作,取得了不少贡献性的成果,为人们进一步的深人研究及应用提供了很好的借鉴作用。数控机床加工误差补偿技术的研究31致致 谢谢本论文是在潘国锋老师指导下完成的,首先我要感谢潘老师对我的悉心指导,正是潘老师的治学态度、渊博的专业知识及对科学执着追求的精神下,才使得我能够完成这篇论文。我也深受老师的这种精神感染,踏踏实实进行科研,不断进步。每次去请教老师时都会有很大的收获,虽然这篇论文让我付出了很多心血,但是却让我受益匪浅,让我学到了很多新的东西,为即将踏入工作的我做了充实准备,让我一身受益!另外,我要感谢我的同学,是他们给我很多帮助和鼓舞,在大四快毕业之际,学生谨以此文向我的导师潘老师致以衷心的感谢和崇高的敬意,向帮助过我的同学朋友表示感谢!无锡太湖学院学士学位论文32参考文献参考文献1 任永强. 数控机床误差高效测量建模及补偿应用研究D. 上海交通大学,2004.2 杜正春,颜景平. 主轴回转误差补偿机理和动力学模型研究J. 机械工程学报,2003,8(3A):14-16.3 张为民,杨玮玮,褚宁. 五轴回转中心的几何误差检测与补偿M. 北京:高等教育出版社,2009:31-32.4 粟时平. 多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究D. 长沙国防科学技术大学,2002.5 沈金华,杨建国,王正平. 数控机床空间误差分析及补偿J. 上海交通大学学报,2008,42(7):11-12.6 张娟. 三轴数控机床几何误差参数辨识与补偿J. 兰州工业高等专科学校学报,2009,6(4):8-9.7 张宁,范大鹏. 基于多体系统运动理论的三轴转台装配误差建模分析J. 兵工学报,2007,18(B1):3-4.8 范晋伟,邢亚兰,郗艳梅. 基于单片机的三坐标数控机床误差补偿器的研究D. 现代制造工程,2007.9 沈兴全. 三坐标数控机床精度检测与误差补偿D. 华中科技大学,2005.10 张虎. 师汉民基于激光干涉仪的数控机床运动误差识别与补偿D. 南京理工大学,2002.11 Chen J S,Yuan J,Ni J. Compensation of Non-Rigid Body Kinematic Effect of a Machining Center,1992. 12 Knapp W. Test of the Three-Dimensional Uncertainty of Machine-Tools and Measuring Machines and its Relation to the Machine Errors,1980.13 Kiridena VSB,Ferreira P M. Kinematic Modeling of Quasistatic Errors of Three-Axis Machining Centers, 1994.14 Wang C. Laser Vector measurement Technique for the determination and compensation of volumetric positioning eH0rs. Part h Basic theoryJ. Review of Scientific Instruments,2000,71(10):98-103.15 Fines JM.,Agah A. Machine tool positioning error compensation using artificial neural networksJ. Engineering Applications of Artificial Intelligence,2008,21(7):1013-1026.数控机床加工误差补偿技术的研究33附附 录录1 误差补偿器初始化子程序void initial0IP=0x10;定义串口为高优先级中断IE=0x90;允许串口中断TMOD=0x20;选择定时器l,方式2,8位自动重装方式SCON=0x50;串口工作方式l,8位UARTTHl=0xfd;晶振110592MHz,波特率9600bps,重装值0FDHTLl=0xfd;重装值OFDHPCON=0x00;SMOD=0TRI=1;启动定时器TlWDTRST=0xle;看门狗定时器初始化WDTRST=0xe l;uchar xdata DataBufMAXLEN_at_0x0000;外部RAM初始化,从0000H单元开始uintinti;for(i=0;iMAXLEN;i-H-)DataBufi=O;LampComm=TRUE;送P1.2高电平,使通信指示灯保持熄灭状态LampErr=TRUE;送P1.3高电平,使出错报警指示灯保持熄灭状态2误差补偿器主程序void main(void)uchar rcvdata=O;定义存放接收和发送字符的变量,并赋初值uint count=0;定义数据计数变量,并赋初值uchar datahand=READY;定义握手信号变量,并赋初值initial();系统初始化while(1)顺序执行if(CommFlag)判断是否接收到数据,如果收到,则顺序执行if(rcvdata=ACTIVE) 如果收到工控机发送的询问信号(0x11),,顺序执行LampComm=FALSE;通信指示灯亮delay(DELAY_VALUE);延时LampComm=TRUE;通信指示灯灭,完成闪烁功能CommFlag=FALSE;清通信标志位无锡太湖学院学士学位论文34brcak;退出等待send P(&datahand,1);向工控机发送握手信号(0x88),表示就绪break;跳出循环wdtO;清看门狗while(1)顺序执行 if(CommFlag)判断是否接收到数据,如果收到,则顺序执行DataBufcount=rcvdata;接受到的数控程序存入启示地址为0000H的外部RAM单元count+;指向下一单元CommFlag=FALSE;通信标志位,准备下一帧数据接收if (DataBuf0=DATAHEAD&DataBufcount=DATAEND)如果接受正确,则顺序执行RcvOverHag=TRUE;收结束标志位置位code(DataBuf);循环扫描接收到的数控程序(字符),并进行补偿和存储补偿后的坐标值CpsOverFlag=1;置补偿结束标志位Break;跳出循环break;跳出循环wdt();清看门狗while(1)顺序执行if(CpsOverFlag)如果误差补偿完成,则顺序执行CpsOverFlag=FALSE;清误筹补偿完成标志位Send_ P(DataBuf,MAXlEN);向工控机发送精密加工程序if(SedOverFlag=TRUE)判断是否全部发送完,如果是,则跳出循环break; break;跳出循环3通信程序void Rcv _INT(viod)interrupt1串口中断高优先级LampComm=FALSE;通信指示灯亮数控机床加工误差补偿技术的研究35if(RI)如果接收到数据,则进行下面操作ACC=SBUF;将串口通信缓存中的数据存入A累加器中Rcvdata=CC;将A累加器中的数据存入变量rcvdata中CommFIag=TRUE;将已接收到数据的标志位置高RI=0;将RI清0LampComm=TRUE;接收结束,置高电平,灯灭void send_P(uchar*temp,uint k) 发送程序,形参代表数据和数据大小static uint 1;定义局部静态变量,存放补偿后坐标的存储空间的首地址1=5130;初始化uchar m;用于控制发送补偿后坐标的字符个数uint i=0;循环条件赋初值LampComm=FALSE;通信状态指示灯亮EA=0;关中断for(i=0;ik&* (temp+i)!=DATAEND;i+)发送数据,直到数据包尾为止 if(* (temp+i)=G&*(temp+i+1)= 0) 判断是否是字符“GO”,如果是则顺序执行send_C(* (temp+i);发送字符“G”send_C(* (temp+i+1);发送字符“0”if(* (temp+i+2)= l) 如果“G0”后的字符是“l”send_C(* (temp+i+2);发送字符“l”if(* (temp+i+5)!= -) 如果不是负数for(m=0;m=10;m+)则发送外部RAM单元中精密坐标值,没有符号位send_C(* (temp+l+m);l=l+11;准备下一精密坐标的存放地址else如果是负数for(m=0;m=1 1;m+)send C(* (temp+1+m);则发送在外部RAM单元中精密坐标值,无锡太湖学院学士学位论文36发送的第一位为符号位1=1+1 1;准备下一精密坐标的存放地址else if(* (temp+i+2)=2)如果“Go”后的字符是“2”send_C(* (temp+i+2);发送字符“2” if(* (temp+i+5)!=-)如果不是负数for(m=0;m=10;m+)则发送外部RAM单元中精密坐标值,没有符号位send_C(* (temp+1+m);1=1+10准备下一精密坐标的存放地址else如果是负数for(m=0;m=1 l;m+)send_C(* (t
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本文标题:数控机床加工误差补偿技术的研究【优秀设计毕业资料】
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