一种新的高效数控多轴机床误差补偿系统

1、一种新的高效数控多轴机床误差补偿系统文摘：提高数控技术的准确性是对现代数控机器的要求，基于伽辽金误差预测方法是由一个递归软件补偿程序和一个加工代码转换软件通过差值算法得到一个有效的静态/准静态误差补偿系统。通过自动分析加工路径,新的错误预测方法考虑了非刚性的机械结构,并能有效地确定刀具的位置误差补偿没有在线计算复杂的误差模型。基于递归预测错误然后补偿补偿算法。最后,补偿数控程序将自动生成的NC精密机械加工过程的转换软件。因为有利于得到理论的错误预测方法可以灵活而不规则地分布节点点准确的误差预测复杂的遥相关误差分布特征与机器的整个工作区。为了验证算法和开发系统,进行了切削实验的研究,结果表明提出

2、的误差补偿系统是成功的。关键字：自由法 CNC数控机器元素 精度误差补偿 误差模型 错误预测1. 介绍一般来说,70 - 80%的数控多轴机在加工过程中发生的全部错误是由静态/准静态错误引起的。为了提高现代工业多轴机床的精度,许多研究工作一直致力于开发分析的方法、测量、预测和补偿的静态/准静态错误。这些方法的共同目标是定义错误的名义工具和工件之间的关系,并提供一个可行的方式来消除错误。Anjanappa等人开发了切削力相关误差补偿的方法基于这样一个假设:机器和工件都是刚体。在这项研究中,首先加工程序截获并改变促进补偿。其次,磁轴承轴的倾斜和翻译是利用进行实时校正。Kiridena和费雷拉发表了

3、一系列论文,包括一个错误模型,模型参数的测量和补偿方案,准静态三轴加工中心的错误。一个函数的每个链接的错误元件(轴)是他们基于刚体运动学开发出的一种静态误差模型。因为，由于负载使机器的变形不加以考虑,作者也认为每个链接的错误构件是一个函数变量只有自己的链接。随后使用多项式来表达错误构件。之后在误差模型中评估参数对三轴机静态错误进行了预测。最后,基于误差模型,补偿实现。泰勒级数扩张的顺序的选择可以决定补偿精度。 考虑坐标测量机的精度(机),Weekers确定静态错误的三个主要来源:(1)由于组件有限精度的几何错误,如导轨和测量系统,(2)由于构件的有限刚度使得移动部件造成主要的错误,(3)热错误

4、,如扩张和弯曲的导轨由于均匀温度梯度。减少这些静态错误的方法获得足够的错误和通过软件补偿的知识。该方法已成功地应用于弥补由于刚度有限引起的错误,以及几何错误,和热错误。这个方法对于预测和补偿静态错误是有用的,但获得错误数据的劳动力成本高和耗时多。Erik在闭环体积误差关系的基础上提出了一种关于怎样补偿五轴数控加工系统误差的方法。在刚体的假设条件下,五轴机有39个独立的错误组件(或18超过三轴机的情况下)。Lei和Hsu发展了probe-ball 3D和球面测试方法和评估这些未知链接错误。根据所确定的误差模型,五轴数控机床实时误差补偿方法进行研究。从产生刀具轨迹提高加工精度，通过表面近似真实的弯

5、曲，使用分段线性近似代替介绍了刀具位置文件(CL文件)和后处理程序来最小化错误。Aekambaram和喇曼通过减少插值误差提高利用CAM生成刀具加工轨迹。他们认为,真正的机器刀具轨迹在两个CL-points之间是线性的。该算法提供了工具直径和直径的错误函数工具,CL点数量,和刀具轨迹长度。考虑摩擦的影响,Mei等人提出了一种简单的方法补偿摩擦高精度误差表。矩形补偿曲线的最优参数在任何位置可以通过插值开创性和近似。在过去,大多数发表的论文不包括非刚性的情况。然而,由于机器的部件都有自己的有限刚度,由于静态和动态的力量，工具提示的位置/取向偏差不能被忽视。使用较重的组件是增加刚度的方法之一,但还会

6、导致更大的移动质量。然后,错误组件与每个链接相关联的性质将变得更加复杂。他们不仅取决于自己的链接变量，还取决于剩下的机器的链接变量。因此,根据提出的方法，错误论断可能不够精确。例如,Anjanappa等,Kiridena和费雷拉。此外,他们还需要大量的计算时间反复地评估复杂的数学错误模型。它会导致在线误差补偿困难。 一个有效的误差补偿系统,计算时间误差预测和补偿必须尽可能短。因此,在我们先前的研究的基于元素的插值方案发展的多轴机床工具的体积误差预测。啮合后的方法,多轴机床的工作空间为几个元素,位置错误的机器可以根据相关的元素被替换。然而,如果元素的形状是不规则的特殊形状的机器的工作区,插值过程

7、将变得更加复杂和费时。对于这种情况,误差补偿将实时加工过程不够高效。同样,如果数控多轴机复杂的误差分布特征,常规和均匀分布的节点指向网格的元素可能无法准确地预测误差补偿问题。因此,一个新方案,允许灵活的分配节点在不同误差分布区域,以反映机器的实际误差分布特征是必要的。缓解上述潜在的问题,一个高效的静态/准静态误差补偿系统隐式具任意机床的柔性身体条件错误摘要开发系统中,元素自由插值方法,提供更高的效率误差预测基于一组随机分布的采样点,使用。由于采样点的分布可以任意计划基于误差分布的特点,该系统提供了能够准确预测错误的机器复杂的误差分布。该方法不需要一个复杂的误差模型误差预测。它只需要位置或/和方

8、向错误的知识在工作区中采样点。来支持这种方法,这些错误将由单一的套接字的方法直接测量(SSM)由Wang和Ehmann。因为已知的错误是错误的组件的函数,通常是未知的,该方法提供了隐式的可能性包括这些错误预测为目的,而不需要精确地知道他们或使用一个数学模型来表达错误的工具和工件之间的关系。此外,为实际使用补偿系统设计由一个递归的软件补偿方案和一个自动数控代码识别/重写系统,可以直接对机器的切割轨迹的基础上,预测错误。当名义切削路径的形式给出数控代码,系统将自动识别切割轨迹的坐标和使用它们的输入错误预测。补偿切削轨迹的错误后,会产生一个新的数控代码的CNC控制器执行精密机械加工的工作。这两个加工

9、代码的识别和改写的作品被施行了一个自动加工代码识别/重写系统在本研究开发。因为没有需要评估复杂误差模型误差预测,需要更少的计算时间。第2节 解决本文的主要贡献。介绍了新提出的软件补偿方案由两个主要部分:首先,一个新的错误预测的概念引入基于伽辽金方法预测的总/定位错误位置机器。其次,开发的软件补偿算法是一个递归消除工作过程的预测错误。自动加工代码识别和重写也解决在这一节中,教派。第三部分3使用仿真分析讨论规则的应用。同时,一些说明性的例子和加工根据提供给验证该方案的可行性和有效性和系统。最后,结论在第4部分。 2错误预测和补偿的原则通过误差补偿来实现精密加工机器,需要满足两个条件:(1) 精确的

10、错误预测(2)精确的补偿来消除预测错误。 在机器工具的尖端上总错误四个主要误差来源:轴的几何误差,热变形引起的错误,错误引起的静态和动态切削力。使用机器的刚度信息,测量了准静态切削力,和位置/取向偏差由于几何误差在有限数量的离散点(节点),在工作区中任意一点的错误,这是和几何误差和弹性变形由于静态切削力,可以得到预测的形状函数将封闭在一个定义的节点影响域。预计总错误然后使用正确的名义切削轨迹的坐标通过拟议中的递归的误差补偿软件。2.1离散点误差测量和评价 总错误提示的工具主要是由四个主要误差来源: (1)由于几何轴中的错误,错误 (2)重力变形 (3)变位引起的静态和动态切削力 (4)热引起的

11、变形,即:E = E 1 + E 2 + E 3 + E 4(1) E是总误差在工具的末端和E1,E2,E3,E 4几何误差,由于重力变形,偏转引起的静态和动态力,分别和错误由于热变形。由于机器的轴的几何偏差和重力影响错误，错误通常表现为一个重复的模式,因此可以被认为是大约在工作区中恒定在一个给定的点。一般来说,由于几何误差和重力确定工具的位置和/或定位误差,可以使用两种方法,即:使用合适的测量系统(1)直接测量,(2)评价的广义数学误差模型。弹性变形错误而言类似考虑几何错误应用的本质区别,与前不同的是,这些错误不能被认为是大约施加力但取决于切削力的大小和方向。这种性质的弹性变形错误,因此,需

12、要知识的切削力是一个函数的几何工具,材料属性和切割为对象，切削力可以表示为：Ftotal = Fstatic + Fdynamic(2)Fstatic和Fdynamic静态(频率含量在机器的伺服带宽)和动力。因为动态力量导致高频率相对较低的动态变形大小,也需要比现有CNC控制器可以支持更复杂的补偿方法,他们将不会被考虑。对动态误差补偿读者被称为介绍。静态切削力可以通过低带宽通常测量测力传感器的主轴承主轴,一旦力量Eq.2是已知的,挠度由于静态切削力可以确定为:E 3 = K 1 Fstatic(3)热诱导错误构成主要误差源,虽然提出的方法可直接应用于热错误。一个详细的治疗会省略了因为许多现有的

13、替代方法可以使用。如果Eq1是已知，在机器的工作空间是直接设计一个补偿方案。然而，从实际的角度来看，它既不可能通过直接测量和评估提供这些信息,也不能从一个完整的数学模型得到。在这两种情况下,控制计算机的内存和计算能力将是一个限制因素。因此,续集的一种新方法将提议允许Eq.1的评价,基于有限数量的测量机的工作空间。这将通过使用适当定义的“形状”函数插值方案定义物理量的性质的兴趣一定次区域的工作区。形状函数将用于插入错误引起的几何和引力效应和刚度,因此偏转误差,在工作区中任何位置。过程评估Eq.1在一个任意点如下:(1)切削力测量,(2)通过基于已知刚度插值信息刚度模型评价,(3)Eq.3是用于计

14、算弹性变形引起的误差,(4)几何和引力效应引起的误差由插值计算基于可用的数据,最后得到的总误差Eq.1。在接下来的小节中,将讨论新的插值概念的细节。2.2错误预测,得到水的方法错误预测在误差补偿过程中起着非常重要的作用。一个好的错误预测方法应该能够保持误差补偿系统的准确性和效率。先前发表的方法需要定期安排节点为插值常规元素。如果元素有不规则的形状,形状所需的映射函数和插值将变得更加复杂和费时的。在这项研究中,提出了一种新的没有啮合工作区错误预测的插值方法。该方法提供了高效和灵活性的错误预测基于一组随机分布的节点。元素的主要概念自由插值法是采用了Galerkin的元素自由的方法。在这种方法中,采

15、用移动最小二乘法(MLS)插入构造形状函数。MLS插值的基本想法是它只需要构造一个数组中的节点域考虑。因此,方法是元素完全不受约束的。它不需要任何元素连接数据和不受太多的退化在准确性非常不规则节点安排。执行任意点的误差预测机器的工作空间,首先影响域包含所需的点(图1)将定义基于定义的半径。随后,节点位于影响域及其坐标确定并替换来计算相应的形状函数的值,最后利用形状函数,错误和刚度可以插入所需的时候。因为错误/刚度在这些节点点是直接测量,预测错误包括机器的特点是柔性身体。当工具的位置/定位错误的目的点预测,错误补偿可以由递归执行软件补偿的方法和自动加工代码识别/重写系统。图2: 概念的软件补偿方

16、案 遵循同样的步骤,系统将迭代预测位置误差,实际位置,补偿位置,和期望位置与实际位置的区别,(I)。直到(I)小于一个预定义的对机器的位置精度,最后补偿位置电脑将被发送到CNC控制器和转化为加入命令驱动机器所需的位置。下列方程表示的递归形式描述:2.4数控程序识别/重写 在数控机床中的应用,所需的切削刀具轨迹插入的位置可以直接从数控程序发布由CAD / CAM系统获得。正如上面提到的,所需的刀具的位置将被用作输入误差预测补偿,和补偿的位置将被用作输出，形成新的数控程序驱动刀具。如果这个过程是手动执行,它将实际上执行加工工作时过于耗时。因此,为了有效地执行误差补偿,数控程序识别/重写系统通过C#

17、自动的确定，确定刀具定义位置通过加工错误预测和补偿。当错误补偿位置是确定的时，软件将会自动生成新的NC代码，以适应错误补偿位置对机器精度。图3表示了NC代码识别/重写系统流程。计算：I 1 (19)Pc( I) = Pd +(i) = Pc ( I 1) + ( I 1)i=1Pa ( I) = Pc( I) + e( Pc ( I) (20)( I) = Pd Pa( I) (21) 基于计算机模拟的结果,发现两个迭代通常足以达到补偿的准确性(I)µm0.1。表1.加工中心的运动参数Parameters / links123Link-variableblb2b3Limit (mm)

18、150012001000000Links-typeMERFMERFMERFFirst link offsetblb2b3Link-angle0900Link-length000Twist-angle90900Second link offset000图3 流程图的自动数控程序识别/重写系统3 仿真分析和实验结果 验证提出误差补偿系统,计算机仿真和实际的切削实验,结果是早些时候提出的元素的结果相比误差补偿方法。在仿真,分析了基于三自由度加工中心,是由三个移动关节和1×1×1.2 m工作区。其运动学参数表1中给出。Wang和Ehamnn，在这个例子中行为和运动轨迹海拔z1035

19、毫米的机器由自动模拟误差分析系统。同样的441个节点和等间距的选择从工作区。两个相邻采样点之间的距离分别为166.7,166.7,和150毫米x,y,z方向。在这些采样点位置错误决定通过使用广义误差模型的多轴机床,为简单起见,假设评判切削力和机器的刚度常数。所需的切削轨迹图4所示。九十点从轨迹中提取的目的位置输入。补偿,一个线性基函数和权函数由Eq。14 预测用于错误。影响域的半径,dm,选为280毫米。图4显示了工具轨迹和预测的位置错误,最大和最小位置错误48.8和26.9µm。正如上面解决,权函数,基函数的顺序,和域的半径非齿合影响扮演非常重要的角色的错误预测方法。下面的例子显示

20、了预测精度的比较,这些因素的不同选择。选择的三个权重函数在这个例子来比较它们的权重函数Eq。14:wI,2= 1 6r 2 + 8r 3 3r 4(22)wI,3= 1 10r 3 + 15r 4 6r 5(23)wI,4= 1 6r 4 + 8r 6 3r 8(24)where r = dI /dm I .示例包括3例。第一次与一个线性基函数和dm我= 280毫米,误差预测的90例点如图4所示是由重量的四个函数。然后比较每组的预测错误和真正的错误,平均预测误差。这是发现,对于这个示例,权函数,wI,2,给最好的预测精度0.93µm和其余的权重函数提供了一种预测精度比1µm

21、刨丝器。图4 模拟补偿和ma-chining non-compensated运动的中心Table 2.自由的元素方法的预测精度Weight functionwI,1wI,2wI,3wI,4wI,1wI,2wI,3wI,4wI,1wI,2wI,3wI,4Radius, dm I (mm)280280280280560560560560280280280280Order of basis function1111I1112222Accuracy (µm)1.200.931.041.203.032.793.023.320.340.330.330.31 第二种情况预测的位置错误90比如说点还

22、有一个线性基函数,但更大的影响域,dm I = 560毫米,四重功能。第一种情况比较,指出,尽管更包括为每个采样点插值,获得较低的预测精度(约3µm)。在第三的情况下,预测误差的二阶基函数执行四个重量功能。影响域的半径等于280毫米。正如之前所讨论的,高阶基函数提供更精确的插值。在这个仿真,预测错误对应四重功能已经大大改善了0.3µm。表2显示了这三个情况下的预测精度。 验证开发的误差补偿系统,实验设计实际切割有/没有误差补偿三轴加工中心上进行MCV 1020 DAHLIH有限公司因为测试主要是静态/准静态误差补偿,进料速度的实验仍然持续在1 m / min。所用的材料根据胶木。125采样点位置错误的静态曲线等距的200×200×200毫米被单一测量插值方法。图5显示了计划为切削实验。计划的工具具轨迹分路径提取误差补偿,也是检查点之前的验证补偿方案。两个切削进行了测试:一个是没有误差补偿,另一个是分别用线性基函数。请检查切割工件位置误差提取的48点通过CMM,图6显示了两个工件的切削轨迹:一个是没有误差补偿,另一个是与误差预测和制的线性基函数。在图中所示的位置错误的区别实际切削路径和名义切削路径。为了有一个清晰的称述位置误差被放大10倍。测量结果错误的静态和动态错误