多轴数控机床几何误差辨识与补偿技术研究

2018-02-16许琪东钟造胜

现代制造技术与装备 2018年1期

许琪东钟造胜

（佛山职业技术学院，佛山 528137）

在以往关于多轴数控机床技术的研究中，研究者运用技术手段辨识几何误差时总结出了多种辨识方法，其中包括较为著名的单项几何误差直接测量法和综合误差辨识法两种理论方法。前者的误差辨识基于对数控机床所存有的单项误差的判定，利用平尺、千分表、自准仪等测量设备完成对误差的测量，但是精度低、效率差。与之相对的是综合误差辨识法，它运用数学模型完成空间指定点的测量，是目前广泛应用的辨识技术。

1 多轴数控机床的几何误差测量和辨识

为了能够合理运用现阶段几何误差测量和辨识技术，本文选用了DMU五轴数控机床作为实例展开探究，并利用现有技术，实现对该型号数控机床的误差辨识。

1.1 10线法的平动误差测量

在目前的综合误差辨识法中，一般选择使用较为简单方便的位移线法测量和辨识机床的平动误差，随着位移线法的发展，9线法、10线法、12线法都已经得到了相对成熟的应用。其中9线法主要的特征为测量线少、数据处理方便，但是位移测量的直线度误差大，配备组件昂贵；而12线法则是在9线基础上增加三条两轴联动线，从而获得平动轴的21项误差，但在求解滚百误差时会产生非联动轴无限小量，存在误差。综合考虑，本文在对DMU五轴数控机床的误差辨识中，选择了10线法。

在10线法中，本文将根据长方体测量空间来确定机床平动轴行程，在接近机床坐标系的机床运动达到最小指令时，可以获取主轴端面、主轴轴线二者的交点作为起始点，再以起始点为原点，建立测量坐标系。对于DMU五轴数控机床来说，本文在测量后，得出了X轴、Y轴和Z轴的数据，分别为115cm、-70cm以及-70cm，从而确定了测量空间为80cm×60cm×40cm，从而获得以原点为坐标系中心的测量空间各顶点的坐标值。根据空间设定，利用10线法中对于点数相等的要求，在坐标系X轴、Y轴、Z轴中分别截取2cm、1.5cm和1cm，计算10线的测量间距，再将每条线进行40点测量，重复测量三次，从而得出检测线的行程，以此来表示三轴联动情况。在10线行程中，通过求取误差平均值将相对起点的误差中存在的不规则点进行平滑处理，得出位移误差曲线。在曲线中，横轴为测量的点位，纵轴为微米单位误差量，即得到该五轴数控机床的平动误差。

1.2 球杆仪实际位姿法的回转轴误差测量

相较于成熟的平动误差辨识技术来说，对于数控机床的回转轴误差的辨识和测量，目前研究领域尚未形成完善的技术理论。大部分研究者在辨识回转轴误差的过程中一般采用球杆仪方式测量数控机床回转轴的轨迹，从而对回转轴当中所含有的单项误差进行辨识。

在测量DMU五轴数控机床的回转轴误差时，本文选用了球杆仪方法展开对C旋转台的误差测量。在该机床当中，C旋转台的测量范围在360°以内，且旋转间隔角度为6°，通过机床内置功能程序，可以设定C旋转台的运行方式为逆时针旋转。本文选取了10cm长度的球杆仪，通过每间隔角度测量一次的方式采集测量数据[1]。首先，运行机床，使C旋转台处于初始位置，再利用刀杆套将球杆仪安装在主轴之上完成锁定，并借助预置于工作台上的垫块将工作台与球杆仪连接。在开始测量后，使X轴和Y轴与主轴相互重合，使其坐标归零，再将主轴与旋转台的交点设为原点建立测量坐标，对记录移动距离。在完成记录后，需要分别整理球杆仪设备的切向、径向、轴向等测量误差，从而获得三个行程的杆长平均值，再将平均值与理论杆长数据进行对比，得出测量方向的杆长变化值，从而获取三个行程的误差数据，统计为数控机床的回转轴误差。

2 多轴数控机床的几何误差补偿方法

为了使多轴数控机床可以在工作当中满足生产要求，需要通过一定的补偿方式降低数控机床所具备的几何误差，提升生产质量。本文选用补偿软件设计的方式对所选用的实例五轴数控机床进行误差修正。

2.1 误差补偿软件的设计方法

在软件设计中，需要凸显出多轴数控机床的误差特点，因此，要求软件具备误差辨识、建模以及补偿方法实现三个功能模块。其中，辨识模块主要负责为软件提供数控机床所具有的误差参数，而补偿模块当中需要具备建模模块这一子模块，利用代码迭代的方式反复调用，完成补偿。在设计DMU五轴数控机床的软件过程中，针对该数控机床的前置刀位数据特点，本文通过对该机床拓扑结构的设定，选用NC程序完成误差补偿。在程序当中，借助输入方式，可以由系统建立测量坐标系，再将数控机床的单项误差值组成实际的变化矩阵，在矩阵中形成矩阵连乘，计算出回转速度，再与理论角度进行对比，得到转角误差。将误差放置入迭代条件中，当实际角度无法达到上一次转角误差要求时开始迭代，直到刀位误差满足要求，停止迭代，最终输出NC代码，完成补偿。

2.2 误差补偿软件的功能实现

在系统中，设置DMU五轴数控机床的结构形式，使其在系统界面拥有八个操作按钮，分别为工作、轴选项Z、轴选项C、轴选项X、轴选项Y、轴选项B、床身选项F和刀具，使系统拥有针对DMU机床的拓扑结构。此后，逐步设置误差行程、误差参数、刀具安装位置、迭代控制值等内容，使系统完成对机床的判断。完成设置后再输入补偿代码。首先在系统界面的代码类型对话框中，勾选“使用RTCP”，再载入完整性、规范化处理后的NC原始代码[2]，使其出现在主界面上方的显示区内，点击“转角突变控制参数”按钮进行查看，得出相邻理论代码之间的最小刀轴矢量，此时如果出现转角图标问题，则系统会直接进行补偿。在输入补偿代码的文件后，系统将通过迭代判断机床的几何误差，并将判断内容显示在显示区中，通过显示区的数据显示，可以浏览诸如C转角等补偿变化内容，再通过设置刀轴矢量的控制半径，判断C转角修正是否准确，使系统可以借助NC代码完成补偿，解决转角突变问题。