双转台五轴数控机床误差的动态实时补偿研究

【摘要】：五轴机床属典型的多坐标联动机床,由于其同时具有移动和旋转刀具(或工件)的能力,可以对几何形状比较复杂和精度要求较高的自由曲面进行加工,具有很高的灵活性,在精密制造领域的应用越来越广泛。本文针对五轴联动机床的机床误差,在国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”等项目资助和支持下,以上海交通大学与上海电气中央研究院等联合研制的双转台五轴联动数控机床为主要对象,进行了五轴机床的高效检测、数学建模和补偿实施等研究,证明了基于软件的误差补偿技术是提高五轴数控机床加工精度既经济又有效的方法。 本文的主要内容如下: (1)建立了五轴机床的综合数学模型。在分析五轴机床的基本结构和机械加工工艺系统主要误差源的基础上,分别指出五轴机床的几何误差、热误差和切削力误差的来源及其在各运动轴及主轴误差中的表现形式,得到了97项误差元素,并根据同一运动部件在相同运动自由度上几何误差、热误差和切削力误差的线性叠加关系,简化得到42项误差元素。在对机床总体运动链进行分析的基础上,基于小角度假设,应用刚体运动的齐次坐标变换理论,建立了五轴机床的综合误差模型,并以双转台五轴机床为例,推导了位置误差和方向误差的数学公式,该模型和公式可以拓展到其他结构的五轴机床,为误差补偿的实施打下基础。 (2)提出了一种五轴数控机床误差的高效测量方法。在ISO230-6推荐的一种沿着体对角线进行数控机床精度检验的方法基础上,通过与美国光动公司合作,提出了一种沿体对角线的机床空间几何误差的激光矢量测量方法,利用激光多普勒位移测量仪,通过分步测量机床工作空间的4条体对角线,并结合空间定位误差综合模型,得到9组用于误差补偿的运动与误差之间关系的信息,可以实现机床误差的快速高效测量和标定,在一台带有旋转轴的机床上分别对工作空间的体对角线和旋转轴的转角定位误差进行了分步测量,相比传统的误差检测方法,可以用较少的试验时间和步骤实现同样效果,进而提高误差补偿的效率。 (3)进行了五轴机床温度测点优化研究。针对五轴机床自身结构和热动态过程都相当复杂的特点,通过在机床热敏感位置布置了24个传感器进行机床热动态过程的温度测量,并建立了基于热特性分析与相关性理论相结合的测点优化策略,筛选得到4个热特征敏感位置,该方法与应用灰色系统理论等方法得到了相同结果,而运算过程更为简便。采用这4个温度测点建立的机床热误差模型简化了结构,减少运算数据量,使热误差模型的预测精度和鲁棒性得到提高。 (4)建立了基于人工神经网络的五轴机床热误差模型。应用神经网络理论学习能力和外推特性,提出了适应机床工况变化条件下的在线建模方法和模型,并与时间序列理论、模糊理论相结合,充分利用了人工神经网络的自学习能力,建模基于神经网络的热误差模型,通过对实测机床热误差进行建模和预报试验,证明基于神经网络的热误差模型具有良好的预报性能。 (5)提出了一种适合五轴机床特点的分步解耦补偿实施策略。以工件坐标系为基础坐标系,应用齐次坐标系变换理论,推导了任一时刻各移动轴和旋转轴运动在工件坐标系中的位置误差数学表达式。针对五轴机床的移动轴和转动轴同时运动存在耦合的特点,建立一种分步实施的补偿策略。即首先进行姿态误差补偿,通过旋转轴的旋转运动将工件的实际姿态调整到与理想姿态相同,然后通过移动轴的平移运动进行位置误差补偿,并相应建立五轴机床误差补偿数学模型。通过仿真分析和对曲面零件的实时补偿加工试验,明显提高了加工精度,同时有效避免了直接进行补偿加工过程中可能带来的运动干涉情况,从而验证了该五轴机床误差补偿数学模型及其实时补偿的可行性和有效性,使补偿过程既简便易行又可靠有效。 (6)进行了五轴机床误差补偿的试验验证。利用不同数控系统提供的外部机床坐标系偏置功能,应用开发的误差补偿装置,采用本文提出的建模方法和控制策略,在双转台五轴机床上进行误差实时补偿实施,验证五轴机床误差模型的精度和补偿策略的适应性。该补偿装置将误差补偿值通过外部机床坐标系的偏置加到位置伺服环的控制信号中而实现机床误差的实时补偿,不需要修改数控指令及数控系统的软硬件,已在国内数家企业的数控机床上实施了获得了满意的补偿效果。并应用与光动公司合作开发的激光多普勒分步体对角线测量方法,进行了基于G代码补偿的实验验证,应用该方法可以在低成本的数控机床上达到较好的补偿效果。