[01385963]一种基于空间网格补偿方式的数控机床空间误差建模方法

现代机械制造技术正朝着高效、高质、高精度、高集成和高智能方向发展。精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向,并成为提高国际竞争能力的关键技术。 由于在机床的各种误差源中,热误差以及几何误差占70%以上,故减少这两项误差对于提高机床的整体精度具有十分重要意义。 目前,提高机床精度的方法主要分为误差避免法和误差补偿法。前者主要靠通过机床的制造、安装等方法来保证,且经济上的代价是巨大的;后者主要通过人为的造成一种新的误差来抵消原始误差,从而达到提高精度的目的,因此,误差补偿法是一种经济有效的方法。然而,一个三轴机床每个轴有6项误差,包括3项直线度误差和3项转角误差,3个轴就有18项误差,另外每两个轴之间有1项垂直度误差,这样共有3项垂直度误差,如此总共有21项空间误差。这21项误差相互关联与影响,给误差建模与补偿带来了不便。 目前,绝大多数误差补偿采取分开的办法进行,如对21项误差,分成三个轴单独进行,对每个轴的定位误差、直线度误差又分别独立处理,这样处理的结果是补好了某一项误差,却又可能增大了另一项新的误差。因此,数控机床的误差补偿应该从空间的角度,综合系统的建模补偿。此外,绝大多数的补偿将几何误差和热误差分开进行,由于机床误差的复杂性,如定位误差等实质上既是几何误差（与机床坐标位置有关）又是热误差（与机床温度有关）,一般将这些误差作为几何误差进行补偿,但实际上,这些误差在不同的温度下是变化的,故对这种既是几何误差又是热误差的复合误差（严格说机床上的误差都和温度有关）要进行几何误差和热误差的综合建模和动态补偿,目前尚无有效的几何误差和热误差的综合建模和动态补偿方法。 本技术提出了一种基于空间网格补偿方式的机床空间误差建模方法,主要包括以下步骤：第一步,根据机床类型,基于多体系统理论,运用齐次坐标变换方法,建立三轴数控机床空间误差的通用模型;第二步,对模型中的21项几何误差元素,采用激光干涉仪进行测量,并建模;第三步,对机床空间误差进行补偿。本技术的建模方法综合了静态几何误差和动态热误差建模方法,将综合模型表达式组合分离为独立的位置影响项和温度影响项,位置误差影响项采取空间网格补偿列表形式,温度误差影响项采取实时采集的形式,由此实现综合补偿。 性能指标：补偿精度可以根据空间网格大小达到6um以内,达到高精度加工要求。 目前,国外具有代表性的数控系统西门子公司开发了基于单轴的机床误差补偿系统,法兰克公司开发了综合误差补偿系统,但是对于西门子公司单轴补偿来说,补偿多轴联动耦合的机床空间误差时,补偿精度不高,二法兰克公司开发的综合补偿系统由于采用的是三轴独立的误差数据,运用计算的方法获取空间误差,计算量大,致使插补精度难以达到补偿精度要求。本技术克服了上述弊端,集成于数控系统具有易于补偿,操作方便的特点,补偿精度方面超越了西门子与法兰克系统,达到了国际先进水平。该技术已经集成于华中8型数控系统,在国内大型企业得到了广泛应用,技术成熟。补偿数据较多,需要熟悉激光测量的误差数据转换以及补偿列表操作。