數(shù)控機床運動精度及其研究

1、數(shù)控機床運動精度及其研究*張萌李航楊丙乾(河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院,洛陽471003Study on motion accuracy of CNC machine toolZHANG Meng ,LI Hang ,YANG Bing-qian(Electromechanical Engineering College ,He nan University of Science &Technology ,Luoyang 471003,China 文章編號:1001-3997(200812-0106-03【摘要】從數(shù)控機床運動精度標(biāo)準(zhǔn)要求、運動誤差、運動誤差模型的建立方法、運動誤差檢測裝置

2、和誤差源診斷等五方面介紹了數(shù)控機床運動精度的研究。提出今后還應(yīng)進(jìn)行大量的測試實驗,對造成數(shù)控機床運動誤差的深層次機理進(jìn)一步研究,優(yōu)化機床運動軌跡。關(guān)鍵詞:數(shù)控機床;運動精度;誤差建模;運動誤差源診斷【Abstract 】It reviews the research of CNC machine error motion in six aspects ,such as CNC motion accuracy standard ,CNC motion error ,CNC motion error modeling Methods ,CNC motion error measurement eq

3、uipments and motion error source judging.Put forward should also carry on a great deal of test experi -ment from now on ,to further studies the mechanism which affects the CNC motion error ,optimizing the track of CNC machine movement.Key words :CNC machine tool ;Motion accuracy ;Error modeling ;Mot

4、ion error source judging*來稿日期:2008-02-16*基金項目:河南省基礎(chǔ)研究與前沿技術(shù)項目,河南省先進(jìn)制造技術(shù)重點學(xué)科開放實驗室基金項目中圖分類號:TH161,TG65文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言數(shù)控機床運動精度指的是工作狀態(tài)下機床的主要運動部件的軌跡精度,它反映出數(shù)控機床在加工零件的過程中刀具、工作臺、刀架等主要零部件的實際運動軌跡和理論運動軌跡的符合程度。它以運動誤差來衡量其大小。運動誤差受到幾何精度、主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差、機床振動和控制器所帶來的動態(tài)誤差、運動速度、運動件的重力、傳動件和磨擦力等影響,更多地依賴于機床的運行工況。這些誤差都將導(dǎo)致工件與刀具之間的相對位置

5、的變化,從而直接的反映在工件的加工誤差上,影響了工件的加工精度。故正確診斷數(shù)控機床運動誤差,適時采用相應(yīng)的補償方法對高精度加工是必不可少的。而且,無論從我國自主研制高性能數(shù)控機床的角度,還是從提高目前我國數(shù)控機床使用率的角度,都需要有針對性的數(shù)控機床運動誤差的測控方案。2數(shù)控機床運動精度的標(biāo)準(zhǔn)要求2.1數(shù)控機床的運動精度機床的運動精度表明機床加工中能達(dá)到的最佳加工精度。一般情況下,機床的運動精度包括:(1直線運動的位置精度;(2重復(fù)精度;(3原點返回精度;(4間隙誤差;(5回轉(zhuǎn)運動的位置精度;(6重復(fù)精度;(7原點返回精度。其中間隙誤差是指數(shù)控機床的某坐標(biāo)軸進(jìn)給傳動鏈上驅(qū)動部件(如伺服電機、滾

6、珠絲杠、聯(lián)軸節(jié)等的反向死區(qū),是各機械運動傳動副的反向間隙誤差的綜合反映,此誤差越大,則位置精度和重復(fù)定位誤差就越差。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB10931-89定義了直線運動位置精度和回轉(zhuǎn)運動位置精度的評定方法。2.2數(shù)控機床的“圓運動”精度對于多軸數(shù)控機床來講,加工大多是在多軸聯(lián)動狀態(tài)下完成的。因此,檢測典型的、機床通過雙軸插補指令合成為“圓運動”的精度就十分必要。檢測機床“圓運動”的精度不僅可以獲得與機床的幾何精度、位置誤差、重復(fù)精度有關(guān)的信息,還可以獲得與進(jìn)給速度和伺服控制系統(tǒng)有關(guān)的動態(tài)誤差分量的信息,包括機床爬行、標(biāo)尺誤差、反向間隙、伺服增益不匹配和由于伺服響應(yīng)滯后引起的加工半徑減小等誤差分量。因

7、此,機床的“圓運動”精度全面地反映出機床的加工性能。機床“圓運動”精度檢驗應(yīng)用的范圍很廣,既可用于對新購機床的入廠檢驗,又可用于對數(shù)字控制系統(tǒng)各項參數(shù)的調(diào)整、以及定期保養(yǎng)時的測試。IS0230-4圓運動試驗標(biāo)準(zhǔn)中給出了三種測量方法,它們分別是:(1一維測頭-基準(zhǔn)圓盤法;(2二維測頭-基準(zhǔn)圓盤法;(3雙球規(guī)法。3數(shù)控機床的運動誤差3.1數(shù)控機床運動誤差的分類數(shù)控機床的運動誤差(及其產(chǎn)生的原因可分為兩大類:(1與位置有關(guān)的誤差(及其產(chǎn)生的原因;(2與進(jìn)給速度和方向有關(guān)的誤差(及其產(chǎn)生的原因。運動誤差及運動誤差源匯總,如表1所示。對各種運動誤差源所引起的運動誤差進(jìn)行具體分析,借助數(shù)學(xué)工具建立起各自的

8、數(shù)學(xué)模型,就會為進(jìn)一步的誤差源診斷打下基礎(chǔ)。這就是下文要談的數(shù)控機床運動誤差建模方法。Machinery Design &Manufacture機械設(shè)計與制造第12期2008年12月106表1運動誤差源3.2數(shù)控機床運動誤差的誤差建模方法數(shù)控機床各誤差分量的測量與補償通常通過三個步驟來完成:(1誤差的建模和辨識;(2找出已辨識的誤差分量與機床零部件的對應(yīng)關(guān)系;(3用合適的控制系統(tǒng)對誤差進(jìn)行補償?？梢?數(shù)控機床運動誤差的正確建模是誤差檢測與診斷的前提條件。近年來,運動誤差建模主要有如下方法:Kakino1提出了以誤差矢量描述數(shù)控機床的運動誤差模型。通過把數(shù)控機床各零部件及其空間位置矢量化

9、,以床身上的某點為基準(zhǔn)點,做出由基準(zhǔn)點到刀具和基準(zhǔn)點到工件的兩條矢量路徑。但由于數(shù)控機床有誤差,因此,本應(yīng)該會合于一點的兩條矢量路徑存在一定的偏差。Kakino詳細(xì)討論了誤差源和誤差分量的對應(yīng)關(guān)系,各個誤差源所產(chǎn)生的誤差軌跡圖等。但是該誤差模型只包含18項誤差分量,它沒有對三根導(dǎo)軌之間的垂直度誤差進(jìn)行討論。劉又午提出了基于多體系統(tǒng)理論4的數(shù)控機床運動誤差模型、幾何誤差參數(shù)綜合辨識模型及相應(yīng)的測量技術(shù),指出數(shù)控機床是特殊的多體系統(tǒng)?；诙囿w系統(tǒng)理論,采用低序體陣列描述系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、矢量及其列向量表達(dá)位置關(guān)系,利用變換矩陣計算體間運動關(guān)系。變換矩陣描述了多體系統(tǒng)中典型體及其相鄰的體參考坐標(biāo)系間的相

10、互變換關(guān)系。其優(yōu)點是所檢測的誤差達(dá)33項之多(21項幾何誤差和包括測頭測量誤差和測頭安裝誤差在內(nèi)的12項測量系統(tǒng)誤差。但該法對控制誤差似難以進(jìn)行有效的直接檢測,檢測方法也較復(fù)雜?？傊?誤差建模的目標(biāo)是建立簡單的、計算速度快的,精度高的,并且能夠減少空間測量點的數(shù)學(xué)模型。4數(shù)控機床運動誤差的各種檢測法為檢測數(shù)控機床的運動精度,就需要一些試驗裝置來測量刀具或工件在數(shù)控機床的空間坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置,機床運動(尤其作圓插補運動時的輪廓精度。近20年來,誤差檢測主要集中在新型機床運動精度檢測儀的應(yīng)用上,這些測量裝置具備不同特點,國內(nèi)外常見的運動精度檢測所用的儀器和方法如下:4.1基準(zhǔn)棒-單向微位移法此法

11、用市售的接觸式微位移計來測定裝夾在主軸上的圓柱型基準(zhǔn)棒和設(shè)置在雙向工作臺“回轉(zhuǎn)軸”上參考點距離的變化。其測量精度受到基準(zhǔn)棒圓度、機床的主軸回轉(zhuǎn)精度和接觸點振動的影響。4.2基準(zhǔn)圓盤-雙相微位移計測頭法是ISO230-4中所介紹的一種測量數(shù)控機床的圓周運動精度的方法,可用于快速評判數(shù)控機床或三座標(biāo)測量機的圓插補運動的質(zhì)量。它通過測量基準(zhǔn)件的誤差來間接得到機床誤差:用裝夾在主軸端的接觸式二維微位移計掃劃在雙向工作臺上基準(zhǔn)圓板的外周面或內(nèi)周面,以此來獲得圓弧插補運動運動軌跡信號。測頭與基準(zhǔn)圓板摩擦引起的振動、測頭球端的形狀誤差、基準(zhǔn)圓板的形狀誤差、位移計各向靈敏度差異都影響測量結(jié)果。4.3全周電容-

12、圓球法該裝置由裝夾在主軸上的鋼球繞固定在雙向工作臺上的另一鋼球回轉(zhuǎn)而作圓插補運動,使兩鋼球作為電容的兩極,則兩鋼球間的間隙變化就表征了圓插補運動軌跡是否精良。此法精度甚高,但作為電容測微儀兩極的鋼球?qū)嶋H上并非整球,或因配置輔助電極都需要特制,很難適應(yīng)對不同半徑圓插補運動診斷的需要。另外,無法掌握機床作大半徑圓插補運動時的運動精度。4.4四連桿機構(gòu)四連桿機構(gòu)的兩個鉸接點分別安裝在主軸頭和工作臺上,分別利用電容測微儀和激光-光敏元件測量兩鉸接點之間的相對位移的變化,據(jù)此考察圓運動軌跡的變化。本法的不足之處是測量系統(tǒng)的靈敏度不為常值。4.5雙連桿-角編碼法兩連桿機構(gòu)中的一端通過角編碼器相鉸連,后一連

13、桿的另一端則與雙向工作臺上的安裝塊也通過另一角編碼器相鉸連。由于兩連桿的臂長恒定,當(dāng)工作臺作圓插補運動時,其運動軌跡的極坐標(biāo)方程(與應(yīng)有的角指令位置和臂長有關(guān)與實際位置的差異就可以據(jù)兩角編碼器的讀數(shù)而測出。本法結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,據(jù)稱可測到微米級。4.6雙球規(guī)法該裝置兩個精密的金屬圓球和可相對伸縮的兩個套管所組成,套管內(nèi)部裝有微位移計(檢測位移的光柵尺,且鋼球兩端有磁性凹球吸座,一端吸附在雙向工作臺上,一端裝夾在工作主軸上。當(dāng)工作臺相對主軸作圓插補運動時,內(nèi)藏式位移計即通過兩鋼球間實與進(jìn)給運動有關(guān)的誤差兩軸間的垂直度誤差導(dǎo)軌的直線度誤差滑板的角運動失動:粘滯運動、爬行位置環(huán)增益不匹配(穩(wěn)態(tài)伺服

14、響應(yīng)誤差(半徑減小,非穩(wěn)態(tài)液壓閥、傳動鏈等的振動滑板的角運動定位標(biāo)尺或滾珠絲杠的一致性誤差絲杠螺距誤差或角度檢測器的安裝誤差位置標(biāo)尺的示值誤差間隙補償:螺距誤差補償與位置有關(guān)的誤差導(dǎo)軌幾何誤差定位機構(gòu)誤差第12期張萌等:數(shù)控機床運動精度及其研究*107際距離的變化而給出運動軌跡精度信號。如果機床沒有任何誤差,則工作臺上圓球的軌跡是沒有任何畸變的真圓,光柵尺也就沒有位移輸出;而當(dāng)工作臺和滑臺存在幾何誤差和運動誤差時,工作臺上的圓球所掃過的軌跡并不是真圓,該圓的畸變部分1:1地被光柵尺測量出來。再通過運動學(xué)建模,就可以得到各項誤差分量。雙球規(guī)可以同時動態(tài)測量兩軸聯(lián)動狀態(tài)下的輪廓誤差,數(shù)控機床的垂直

15、度、重復(fù)性、間隙、各軸的伺服增益比例、伺服性能和絲杠周期性誤差等參數(shù)指標(biāo)都能從運動輪廓的半徑變化中反映出來。另外,利用加長桿還可以在更大的機床加工空間內(nèi)進(jìn)行測量。通常,測量周期不超過1h。雙球規(guī)現(xiàn)己被國際機床檢驗標(biāo)準(zhǔn)IS0230、ASMEB5.54推薦采用。DBB法安裝方便,測量精度和測量效率都較高。但DBB法也有不足,主要是由于兩個鋼球的球度以及鋼球和球吸座間接觸狀態(tài)的細(xì)微變化都影響測量結(jié)果。另外,DBB伸縮管由于自重影響而產(chǎn)生的彎曲變形,磁性凹球吸座間接觸狀態(tài)的細(xì)微變化等都會影響測量結(jié)果,其綜合精度實際上達(dá)不到亞微米級。盡管雙球規(guī)可以用于測量數(shù)控機床的幾何誤差和驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)誤差,但是,只

16、有當(dāng)機床作小半徑的圓插補運動時,驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)誤差才能充分地反映出來,而雙球規(guī)很難用于作小半徑圓插補運動軌跡的測量。而且,雙球規(guī)被限制在只能測量圓軌跡,它不能揭示數(shù)控機床作平面復(fù)雜軌跡時的運行狀況,很難作平面復(fù)雜曲線運動的軌跡測量。雙球規(guī)測量圖,如圖1所示。平面光柵測量圖,如圖2所示。圖1雙球規(guī)測量圖圖2平面光柵測量圖4.7平面正交光柵法在工作臺上安裝直徑為(140230mm,且刻有高精度正交柵紋的平面光柵,而在主軸端部則安裝有讀數(shù)光柵,兩者的間隙約為4mm,只要在平面光柵的有效工作范圍內(nèi),不論按NC指令執(zhí)行的工作臺與主軸所做相對運動是規(guī)則的圓運動、直線運動或者甚至是不規(guī)則的復(fù)雜曲線運動,都可

17、以通過安裝在主軸端上的讀數(shù)頭及后續(xù)電路直接“讀出”其運動軌跡是否精良的信號,且其經(jīng)細(xì)分后的讀數(shù)分辨率可達(dá)5nm。這種測量方法的特點是:測量精度較高,非接觸測量使得測試靈活,對測量時的相對運動速度約束較少,在分析不同進(jìn)給速度和完成不同形狀的軌跡時的運動精度有其特殊優(yōu)點。除了儀器價格較高這一點之外,可認(rèn)為是當(dāng)今現(xiàn)場運動精度診斷的首選方法。5數(shù)控機床運動誤差源的診斷數(shù)控機床運動誤差源的診斷,就是利用檢測儀器來測試機床運動軌跡(多采用圓插補運動誤差圖象,通過與典型的運動誤差圖象比較,從而找出引起運動誤差的主要誤差源。其方法是從運動誤差軌跡中,參照典型的運動誤差圖象,提取出誤差軌跡模式,然后定量地確定誤

18、差的相對大小。但對于同一軌跡模式,其產(chǎn)生的原因可能有數(shù)種,為了找出引起運動誤差的特定原因,必須考慮機床的結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)的組成。現(xiàn)以圓插補運動為例,提取其軌跡模式,診斷其運動誤差源的大致過程如下:(1求出各平面的順時針方向和逆時針方向運動軌跡的跟蹤軌跡。這樣從所得軌跡中就反映出依存位置變化的誤差,然后抽取出如下軌跡模式。(2象限切換時,在比較順時針方向和逆時針方向軌跡的同時,提取該軌跡模式。(3除了過象限處,在其余位置產(chǎn)生的軌跡模式按軸對稱性處理。(4在對各平面順時針方向和逆時針方向的軌跡進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上,分析進(jìn)給速度變化時軌跡的變化,得到依存于進(jìn)給速度的誤差軌跡模式。這樣對于某軌跡模式,大多數(shù)情況下應(yīng)同時考慮平移誤差和導(dǎo)軌姿態(tài)變化的角運動誤差。通過誤差源診斷的結(jié)果,可以對影響機床精度的部分加以修正或補償。6結(jié)論數(shù)控機床的運動誤差是由多種復(fù)雜的因素引起的,如何通過分析所提取的運動軌跡,快速診斷出誤差源,以優(yōu)化機床運動軌跡,值得考慮。今后要進(jìn)行大量的測試實驗,對數(shù)控機床運動誤差模型及運動誤差源診斷方法作進(jìn)一步的檢驗,進(jìn)一步研究造成數(shù)控機床運動誤差的深層次機理。參考文獻(xiàn)4劉又