数控机床误差补偿系统研究

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4.1 反向间隙处理的基本思路
反向间隙能够存在于任何运动轴上,当轴的 运动方向改变时就表现出来。其值大小通常与沿 各轴的运动位置无关。由于丝杆的磨损和装配不 当,在全轴上反向间隙会不一致,这时必须把丝
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杆按等间隙值分为几段。引起反向间隙的主要原 因在于驱动轴的丝杠副以及丝杠的支撑轴承与轴 承座之间存在间隙。进一步的试验表明,反向间 隙其值受温度变化的影响很小。因而可以假设反 向间隙在轴的整个运动范围内都是常数。试验表 明,反向间隙在轴的中间变化不大,而在轴的两 端附近有变化。
的精度通常无法让人满意,约65.7%以上的新机 床在安装时都没有符合相应的技术指标,约90% 处于使用状态中的数控机床处于失准的工作状 态,大量的机床精度都不能达到出厂标准或NI要 求。因此,为了及时发现和解决问题、提高零件 加工精度,对机床工作状态进行监控以及对机床 精度进行经常的测试和调整是非常必要的。
本机床中影响机床加工精度的主要因素有: 1. 机床温度变形误差; 2. 机床零部件和结构的几何误差; 3. 切削力引起的误差; 4. 刀具的磨损或安装引起的误差; 由于刀具的磨损或安装而引起的误差可由人 工调节来减小或消除,具有不可预测性,切削力 引起的误差因切削力而异,前人的统计结果显示, 它并不占太大的比例,故而这两项误差忽略不计, 只研究前面两项误差。
2.数控机床的误差分析
的配合误差、机床部件的动、静变位等,主要包 括因丝杠节距(定位标尺刻度)改变而产生的定 位误差,因导轨变形而产生的直线度误差和角运 动误差,因定位、安装不精确而产生的坐标轴之 间的垂直度误差,因丝杠、齿轮等反向游隙及伺 服驱动系统的失效而产生反向游隙误差,以及伺 服不匹配误差。
况3,其轨迹上的目标点需要进行反向误差补偿。
当从 P4 运动到 P5 时属于情况4,反向误差的修正 分为两步,首先刀具向 Xi 的正向移动距离 e(xi,n ) ,然后刀具运动到 P5 。从上面的分析可知, 当运动直线在 X i 方向的斜率为正时,其目标值不 受反向误差的影响。当运动直线在 X i 方向的斜率 为负时,其目标点在 X i 方向的分量要进行反向误
等间距螺距误差补偿的软件实现过程分以下 六步:
1、计算工作台离开补偿基准点的距离。
Di Ri REF
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式中:
Di —采样周期工作台离开补偿基准点的距

Ri ———采样周期工作台的绝对位置 REF ———补偿基准点的绝对位置
图4—2 正向补偿和负向补偿
2、根据 Di 的符号决定采用正向被偿( Di > 0) 还是负向补偿( Di < 0),如图4—2 所示。
1.绪论
1.1 数控机床精度研究的背景及意义
自20世纪中叶数控技术创建以来,机械制造 业已经发生了革命性的变化。现代工业中的CAD/ CAM、FA、FMS、CAPP等先进制造技术都是建立在 数控技术之上的。现代机械制造技术的发展趋势 为高效率、高精度、高精密、高质量、高集成、 高智能等方向,其中精密和超精密加工技术也是 衡量国家机械制造水平的重要标准,在提高国家 的国际竞争力中扮演者关键角色,已经成为了现 代机械制造业中非常重要的组成部分和主要发展 方向。在船舶制造业、汽车制造业、零件加工行 业等其他机械制造领域,数控机床都处于不可或 缺的地位。近年来,国产的数控机床进入了快速 发展时期,通过自主创新的技术成功的打破了发 达国家的技术垄断,尽管在技术水平、产业规模、 产品种类和服务范围等方面,我国数控机床的功 能部件都有了一定的进步,然而,作为世界第一 大数控机床消费国和出口国,这些国产的功能部 件的适应性和满足度仍远远达不到市场要求,技 术依然落后于发达国家。
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数控机床误差补偿系统研究
机械设计制造及其自动化 蔺军锋
指导教师 陈德道(副教授)
摘 要:随着现代机械制造技术的发展,对工件的精度要求越来越高,作为重要加工工具的数 控加工设备的精度指标也在不断更新,这给研究开发领域提出了新的挑战。提高数控机床精度 的方法通常有硬补偿和软补偿,其中硬补偿方法涉及到数控装备机械结构的调整及改变,由于 成本及效率上的弊端而阻止了广泛研究推广;软补偿技术通常通过数学方法或软件方法提高机 床精度,由于方法简单、易于操作而受到了研究者的青睐。 关键词:控制系统,误差分析,误差模型,误差补偿
目前,我国的经济处于快速发展阶段,数控 机床作为新一代的工作母机在机械制造行业中得 到了更加广泛的应用,与此同时,精密加工技术 的迅速发展、零件加工精度的不断提高,对数控 机床的加工精度也提出了更高的要求。在选购数 控机床时,用户大多都十分看重机床的位置精度, 尤其是各主轴的定位精度和重复定位精度。但是, 大量的统计数据表明,这些在使用中的数控机床
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点。近年来发展的软件补偿其特点是在对机床本 身不作任何改动的情况下,综合运用当代各学科 的先进技术和计算机控制技术来提高机床加工精 度。软件补偿克服了硬件补偿的许多困难和缺点, 把补偿技术推向了一个新的阶段。
在补偿过程中,补偿系统根据误差运动综合 数学模型,误差分量模型以及实时反馈(如温度, 位置等值)预报机床最终误差,并实时补偿该值。 误差补偿的具体执行是通过移动运动副以使刀具 和工件在机床空间误差的逆方向上有一相对运动 而实现的。当一个补偿系统建立起来后,应对该 系统的补偿效果进行分析,以便改进补偿模型或 系统从而达到更好的加工精度。
在图 4—1 中反向间隙的补偿可分为 4 种可能的情
况。
情况 1: X i ,n+1≥ X i ,n 和 X i ,n≥ X i ,n−1, 例如 P0 → P1 → P2
情况2: X i ,n+1≤ X i ,n和 X i ,n≥ X i ,n−1, 例如 P1 → P2 → P3
情况3: X i ,n+1≤ X i ,n和 X i ,n≤ X i ,n−1, 例如 P2 → P3 → P4
图 3—1 误差补偿系统的示意图 数控机床的误差补偿系统主要由三部分构 成:数控机床、激光干涉仪和计算机端软件,如 图3—1是误差补偿系统的示意图。通过激光干涉 仪对数控机床的精度进行测量和数据分析,然后 将数据载入计算机端软件进行误差补偿,最后再 反馈回给机床。
4.几何误差补偿系统
机床结构系统的误差即为几何误差,包括机 床各部件工作表面的几何形状和相互位置误差。 在机床的设计、制造和装配过程中,结构的残余 不规则性,造成机床的系统误差。这种误差我们 称之为“几何误差”,是由位置传感器的非线性、 机器零件相对运动的非正交性和测量过程中每个 机器零件运动的非直线性引起的。
2.2 误差分类
从误差的性质来分,机床的误差主要有力误 差、几何误差和温度误差三大类。
1、力误差分为半静态力误差和动态力误差两 大类,主要是由于机床传动链中传动部件的非刚 性引起的。前者主要是由于工件或机床运动部件 因重力或夹紧力变形而引起的,后者主要是由于 切削力和惯性力引起的。
2、几何误差只与刀具或工件所处的位置有 关,主要是来自机床的制造缺陷、机床部件之间
情况4: X i ,n+1≥ X i ,n和 X i ,n≤ X i ,n−1, 例如 P3 → P4 → P5
当加工中心在 Xi 正方向运动,反向误差为
螺距误差,从字面上看是指滚珠丝杠的螺距 间隙,但在误差补偿中,测量的是每个坐标的实 际运动精度;因此,螺距误差不单纯是丝杆的螺 距间隙,它还与伺服信号、电机输出、齿轮传动、 丝杠传动等等有关。实际上,影响数控机床加工 精度的最大因素和丝杠的螺距误差有关,因为经 过长时间的磨合,在整个丝杠长度上,总有一段 是使用额率最高的,而在这一段与其它不常用的 一些地方相比,磨损程度就大一些,总会产生一 定程度的差异;对于信号回路以及电机或者齿轮 传动,因其与轴运动的区域段关系不很大,因此 常规上定义的螺距误差补偿就指的是丝杠运动的 螺距误差补偿。
差修正。
4.2 螺距误差问题处理的基本思路
图 4—1 反向误差补偿
用二维的平面运动可以说明反向间隙对加工
运动的影响特点。在图 4—1 中,当刀具被编程在
X i 、 X j 平面内从 P0 运动到 P5 时,为了易于说 明,认为只在 X i 方向发生运动方向的改变,而在 X j 轴方向不改变运动方向,在 X k 方向没有变化。 设 xi,n 为 X i 方向点 N 的坐标。 e(xi,n ) 为点 xi,n 的反向误差。刀具的编程运动轨迹为 P0 → P1 → P2 → P3 → P4 → P5 。由于 X i 方向的反向间隙影 响,实际的运动轨迹为 P0 → P1 → P2 → P2' → P3' → P4' → P4'n → P5' 。如果用反向间隙对刀具驱动程序 的指令进行补偿修正,使刀具沿补偿后的路径 P0 → P1 → P2 → P2c → P3c → P4c → P4n → P5 运动,则 实际的运动路径为 P0 → P1 → P2 → P3 → P4 → P5 。
目前,误差补偿技术已成为现代精密工程的 重要技术支柱之一。随着现代计算机技术、数控 技术及测量系统的高速发展,误差补偿技术更是 如虎添翼,有了更广阔的应用前景。特别在我国, 随着我国工业和国民经济的高速发展,对数控机 床加工质量的要求也越来越高。所以,对数控机 床补偿技术的研究会更深入,数控机床补偿技术 的应用会更广泛。
1.2 误差补偿与补偿系统的基本概念
误差补偿的基本定义是人为地造出一种新的 误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误 差,通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特 点和规律,建立误差数学模型,并尽量让人为造 出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反, 从而减少加工误差,提高零件的加工精度。
最早的误差补偿是通过硬件实现的。例如: 根据测出的传动链误差曲线,制造滚齿机的凸轮 矫正机构;根据测出的螺距误差曲线,制造丝杆 车床的校正尺装置等。硬件补偿属于机械式固定 补偿,在机床误差发生变化时,要改变补偿量必 须重新制作凸轮、校正尺或重新调整补偿机构。 硬件补偿又有不能解决随机误差,缺乏柔性的特
3、机床的温度误差主要是由于机床工作时复 杂的温度场造成机床各部件的变形即机床的温度 动态过程而引起的。机床的温度动态过程,主要 是系统受到内外温度源的扰动,使机床各部分产 生温变至温度平衡的不稳定阶段,从而造成加工 精度下降的导温度变形过程。
3.数控机床误差补偿系统
2.1 概述
机床是由一系列的开环传动链组成的,在运 动链的一端是要进行加工的工件,另一端则是刀 具。对这类机构的一个根本要求是刀具与工件间 的相对位置误差不能超过规定的范围。应用误差 补偿技术,必须建立在对机床误差性质深入了解, 将各种误差有效分离的基础上。
零,而负向运动时反向误差为 e(xi,n ) 。从 P0 到 P2
属于情况1,在路径上不必进行反向误差补偿。从
P2 运动到 P3 时属于情况2,反向间隙的误差需要 修正。分为两步,首先刀具在 X i 的负方向移动距 离 e(xi,n ) ,然后在 X i 的负方向用 e(xi,n ) 对 P2 到 P3 目的标值进行变换。当刀具从 P3 到 P4 时属于情
3、确定当前位置所对应的补偿点号 Ni 。 Ni =[ Di /校正间隔]
式中,[ ]表示取整数部分,校正间隔在确定
IFC值时确定,且恒为正数。
4、判断当前位置是否需要补偿。
若 Ni = Ni-1 ,无需补偿,否则需要补偿。 5、查IFC 表,确定补偿点 Ni 上的补偿值。
当坐标轴运动方向与补偿方向一致时(对正向补
等间距螺距误差补偿首先选取机床参考点作 为补偿的基准点,机床参考点由反馈系统提供的 相应基准脉冲来选择。然后实测出机床某一坐标 轴各补偿点的反馈增量值修正,以伺服分辨率为 单位存入IFC 表。
补偿点IFC值=(数据指令值-实际位置值)/ 伺服分辨率
一个完整的IFC表要一次装入,不宜在单个补 偿点的基础上进行修改。当其完整性遭到破坏时, 可定期刷新IFC 表。
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