數控機床加工精度分析及優化

殷海訪

(山東華宇工學院,山東 德州253000)

0 引言

評估數控機床性能的關鍵指標是加工精度,數控機床可保證一定范圍內的加工精度,但長期頻繁使用數控機床會導致其無法保持原有的高精度,故提高機床加工精度非常重要。加工精度主要取決于各種加工誤差,包括機床運動的固有幾何誤差、裝配誤差及振動誤差,在這些誤差源中,幾何誤差影響最大[1]。

精度優化設計與誤差補償是提高機床加工精度的常用方法。精度優化設計是一種將幾何誤差分布到機床關鍵區域來提高加工精度的方法,但每個幾何誤差對加工精度的影響是不同的,如果幾何誤差按照設計經驗進行分配,優化結果可能會被扭曲,故合理分配各個幾何誤差的權重是優化設計精度的前提條件。誤差補償通過補償關鍵幾何誤差來優化加工精度[2],利用數控機床的補償特性對現有的軸線誤差進行補償,使精度較低的車床通過誤差補償生產出精度較高的產品,為數控機床的精度提供保證。采用誤差補償方法,應針對不同類型加工及誤差處理操作進行生產設計,對其缺陷采取硬件解決方案、軟件保護措施、預處理措施,降低實際生產環境中的誤差風險。為了有效提高零件的加工質量及數控機床生產效率,需改善數控機床生產設備的工藝條件,提高工藝控制能力,增加加工精度。

1 建立機床誤差模型

對數控機床誤差建模表1列出了數控機床的37個誤差源,使用幾何誤差測量儀測量垂直度與平行度誤差軸,其他幾何誤差直接用雙頻激光干涉儀測量,線性誤差及角誤差分別用δ、ε表示。例如,δyx是y方向上沿x軸運動的線性誤差,第一個下標為誤差方向,第二個下標為運動方向,即線軸。同理,εij的第一個下標為角誤差的旋轉軸,第二個下標為運動方向。誤差用螺釘表示,可通過PoE建立誤差建模。由于制造及安裝缺陷,每個軸都存在幾何誤差,這些誤差可用6個誤差分量來描述:3個平移分量及3個旋轉分量(每個剛體的自由度一個),根據螺旋理論[3]可定義為模誤差分量me$e:

表1 機床誤差分量

me$e=[εx,εy,εz,δx,δy,δz]T

(1)

以x軸分量為例,第一組包含直線定位誤差δxx、滾轉角誤差εxx,對應的螺桿為$xx。第二組由水平直線度誤差δyx、俯仰角誤差εyx組成,對應的螺桿為$yx。第三組由垂直直線度誤差δzx、偏航角誤差εzx組成,對應的螺桿為$zx。

2 各幾何誤差對加工精度的影響

“S”形試樣具有扭轉角、開合角轉換及變曲率等特性,廣泛應用于復雜曲面的表征,其輪廓誤差能夠真實代表機床的加工精度,故選擇“S”形試樣作為加工工件。為了定性分析各幾何誤差對機床加工精度的影響,利用MATLAB進行仿真分析,實現加工精度預測的步驟如下:利用UG NX 10.0軟件建立“S”形試件的三維模型,通過UG NX CAM處理模塊得到刀具位置文件,在刀具定位文件的基礎上利用UG NX 10.0的后置處理器得到“S”形試樣的數控加工指令。在建立幾何誤差模型的基礎上計算任意位置的幾何誤差值。利用加工誤差模型及數控加工指令對“S”形試樣的輪廓誤差進行預測。

機床的關鍵參數如表2所示。由各幾何誤差對機床加工精度的影響發現,不同的幾何誤差及加工位置對加工精度的影響不同。

表2 機床的關鍵參數

3 基于Floyd算法的幾何誤差補償

數控機床誤差補償主要有兩種方法:根據加工過程中的誤差測量手動調整數控加工程序,通過設定參數,預先輸入預測項,進行數控誤差補償[4]。近年來,數控刀具軌跡規劃修正補償法已成為一種應用廣泛的方法,可規劃并求解最佳刀具路徑。刀具路徑規劃方法包括并行最短路徑搜索算法、蟻群算法、基于矩陣負載均衡激勵算法、增強帶寬反演最短路徑算法等。傳統的補償技術是修改誤差項,結果是每個項都依賴于其他項,某些錯誤項的減少可能導致其他項的增加,故僅修改關鍵誤差項的補償方法是不可接受或不可行的。Floyd算法是一種新的路徑規劃方法,易于理解及設計。

根據機械工業標準,圓度誤差與同軸度誤差必須小于0.1 mm,粗糙度值必須小于0.8 mm。對基于Floyd補償算法優化后的工件與未經優化的工件加工精度進行對比,結果表明,優化后的圓度測量誤差為0.03 mm,小于未優化后的圓度測量值0.07 mm,優化前,同軸誤差為0.05 mm,優化后,同軸誤差為0.08 mm。與未優化的工件相比,優化后的工件表面精度更高,粗糙度值由0.6 mm減小到0.4 mm(如表3所示)。說明Floyd補償算法在提高加工精度方面是有效的。

表3 算法補償前后誤差測量結果

4 結束語

對數控機床進行幾何誤差建模,分析機床各幾何誤差對加工精度的影響。結果表明,不同的幾何誤差及加工位置對加工精度的影響不同。利用基于Floyd算法的誤差補償優化數控機床工件,對優化前后的工件加工精度進行對比發現,Floyd補償算法在提高機床加工精度方面是有效的。