数控机床加工精度分析及优化

殷海访

(山东华宇工学院,山东 德州253000)

0 引言

评估数控机床性能的关键指标是加工精度,数控机床可保证一定范围内的加工精度,但长期频繁使用数控机床会导致其无法保持原有的高精度,故提高机床加工精度非常重要。加工精度主要取决于各种加工误差,包括机床运动的固有几何误差、装配误差及振动误差,在这些误差源中,几何误差影响最大[1]。

精度优化设计与误差补偿是提高机床加工精度的常用方法。精度优化设计是一种将几何误差分布到机床关键区域来提高加工精度的方法,但每个几何误差对加工精度的影响是不同的,如果几何误差按照设计经验进行分配,优化结果可能会被扭曲,故合理分配各个几何误差的权重是优化设计精度的前提条件。误差补偿通过补偿关键几何误差来优化加工精度[2],利用数控机床的补偿特性对现有的轴线误差进行补偿,使精度较低的车床通过误差补偿生产出精度较高的产品,为数控机床的精度提供保证。采用误差补偿方法,应针对不同类型加工及误差处理操作进行生产设计,对其缺陷采取硬件解决方案、软件保护措施、预处理措施,降低实际生产环境中的误差风险。为了有效提高零件的加工质量及数控机床生产效率,需改善数控机床生产设备的工艺条件,提高工艺控制能力,增加加工精度。

1 建立机床误差模型

对数控机床误差建模表1列出了数控机床的37个误差源,使用几何误差测量仪测量垂直度与平行度误差轴,其他几何误差直接用双频激光干涉仪测量,线性误差及角误差分别用δ、ε表示。例如,δyx是y方向上沿x轴运动的线性误差,第一个下标为误差方向,第二个下标为运动方向,即线轴。同理,εij的第一个下标为角误差的旋转轴,第二个下标为运动方向。误差用螺钉表示,可通过PoE建立误差建模。由于制造及安装缺陷,每个轴都存在几何误差,这些误差可用6个误差分量来描述:3个平移分量及3个旋转分量(每个刚体的自由度一个),根据螺旋理论[3]可定义为模误差分量me$e:

表1 机床误差分量

me$e=[εx,εy,εz,δx,δy,δz]T

(1)

以x轴分量为例,第一组包含直线定位误差δxx、滚转角误差εxx,对应的螺杆为$xx。第二组由水平直线度误差δyx、俯仰角误差εyx组成,对应的螺杆为$yx。第三组由垂直直线度误差δzx、偏航角误差εzx组成,对应的螺杆为$zx。

2 各几何误差对加工精度的影响

“S”形试样具有扭转角、开合角转换及变曲率等特性,广泛应用于复杂曲面的表征,其轮廓误差能够真实代表机床的加工精度,故选择“S”形试样作为加工工件。为了定性分析各几何误差对机床加工精度的影响,利用MATLAB进行仿真分析,实现加工精度预测的步骤如下:利用UG NX 10.0软件建立“S”形试件的三维模型,通过UG NX CAM处理模块得到刀具位置文件,在刀具定位文件的基础上利用UG NX 10.0的后置处理器得到“S”形试样的数控加工指令。在建立几何误差模型的基础上计算任意位置的几何误差值。利用加工误差模型及数控加工指令对“S”形试样的轮廓误差进行预测。

机床的关键参数如表2所示。由各几何误差对机床加工精度的影响发现,不同的几何误差及加工位置对加工精度的影响不同。

表2 机床的关键参数

3 基于Floyd算法的几何误差补偿

数控机床误差补偿主要有两种方法:根据加工过程中的误差测量手动调整数控加工程序,通过设定参数,预先输入预测项,进行数控误差补偿[4]。近年来,数控刀具轨迹规划修正补偿法已成为一种应用广泛的方法,可规划并求解最佳刀具路径。刀具路径规划方法包括并行最短路径搜索算法、蚁群算法、基于矩阵负载均衡激励算法、增强带宽反演最短路径算法等。传统的补偿技术是修改误差项,结果是每个项都依赖于其他项,某些错误项的减少可能导致其他项的增加,故仅修改关键误差项的补偿方法是不可接受或不可行的。Floyd算法是一种新的路径规划方法,易于理解及设计。

根据机械工业标准,圆度误差与同轴度误差必须小于0.1 mm,粗糙度值必须小于0.8 mm。对基于Floyd补偿算法优化后的工件与未经优化的工件加工精度进行对比,结果表明,优化后的圆度测量误差为0.03 mm,小于未优化后的圆度测量值0.07 mm,优化前,同轴误差为0.05 mm,优化后,同轴误差为0.08 mm。与未优化的工件相比,优化后的工件表面精度更高,粗糙度值由0.6 mm减小到0.4 mm(如表3所示)。说明Floyd补偿算法在提高加工精度方面是有效的。

表3 算法补偿前后误差测量结果

4 结束语

对数控机床进行几何误差建模,分析机床各几何误差对加工精度的影响。结果表明,不同的几何误差及加工位置对加工精度的影响不同。利用基于Floyd算法的误差补偿优化数控机床工件,对优化前后的工件加工精度进行对比发现,Floyd补偿算法在提高机床加工精度方面是有效的。