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國內(nèi)外數(shù)控機床的研究歷史與現(xiàn)狀

發(fā)布時間:2020-01-17  發(fā)布者:禹創(chuàng)重工機械
  機床的幾何誤差(由機床本身制造、裝配缺陷造成的誤差)、熱誤差(由機床溫度變化而引起熱變形造成的誤差)及切削力誤差(由機床切削力引起力變形造成的誤差)是影響加工精度的關(guān)鍵因素,這3項誤差可占總加工誤差的80%左右。
   提高閥門機床加工精度有兩種基本方法:誤差預(yù)防法和誤差補償法。誤差預(yù)防法是一種“硬技術(shù)”,通過設(shè)計和制造途徑或減少可能的誤差源,靠提高機床制作精度來滿足加工精度要求。誤差預(yù)防法有很大的局限性,即使能夠?qū)崿F(xiàn),在經(jīng)濟上的代價往往是很高的。誤差補償法是使用軟件技術(shù),人為產(chǎn)生出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差,是一種既又經(jīng)濟的提高機床加工精度的手段。通過誤差補償可在 機床上加工出超過機床本身精度的工件,這是一種“精度進化”的概念。近年來,誤差補償技術(shù)以其技術(shù)生命力被各國學(xué)者、專家所認識,并使之得以發(fā)展和推廣,已成為現(xiàn)代工程的重要技術(shù)支柱之一。數(shù)控機床誤差動態(tài)綜合補償已列人科技重大專項“數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”表明我國政 府對數(shù)控機床誤差動態(tài)綜合補償技術(shù)的高度重視。
  本文綜合數(shù)控機床誤差補償技術(shù)現(xiàn)狀,指出其主要不足和難點,并介紹針對這些不足和難點而進行的研究課題,其中包括:基于機床外部坐標系原點偏移的實時補償器研制、復(fù)合誤差建模和補償、考慮溫度變化的機床誤差測量、五軸數(shù) 控機床誤差解藕實時補償、機床上關(guān)鍵溫度點的優(yōu)化選擇、切削力誤差實時補償。
  最早發(fā)現(xiàn)機床熱變形現(xiàn)象并進行研究的之一是瑞士。1933年,瑞士通過對坐標鎖床進行測量分析后發(fā)現(xiàn)機床熱變形是影響定位精度的主要因素。由此開始了機床誤差的檢測、建模和補償技術(shù)研究。從目前來看,在機床誤差檢測、建模和補償技術(shù)研究和應(yīng)用中比較有影響的有美國密西根大學(xué)、日本東京大學(xué)、日立精機、德國柏林工業(yè)大學(xué)等。其中,美國密西根大學(xué)在19%年成功地將熱誤差補償技術(shù)實施于美國通用(GM)公司下屬一家離合器制造廠的150多臺車削中心上,使加工精度提高1倍以上,作者作為主要人員參與了這個項目。
  我國對機床熱變形及誤差補償技術(shù)的研究始于20世紀50年代,到70年代末,有關(guān)機床熱變形及誤差補償技術(shù)研究工作在不少高校和研究單位先后展開。近年來,天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、北京機床研究所、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、技術(shù)大學(xué)、臺灣國立臺灣大學(xué)、臺灣清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等對機床誤差補償技術(shù)進行著研究。
  縱觀,在有關(guān)人員的不懈努力下,數(shù)控機床誤差補償技術(shù)有了較快的發(fā)展,但從目前來看,在,數(shù)控機床誤差實時補償技術(shù)大批量在工業(yè)中應(yīng)用的例子并不多,還沒成熟到商業(yè)化程度。在國內(nèi),誤差實時補償技術(shù)大部分還停留在實驗室范圍內(nèi),還未見在生產(chǎn)廠家批量數(shù)控機床上應(yīng)用誤差實時補償技術(shù)的報道。
  這說明誤差補償理論和技術(shù)還有很大余地可。目前,數(shù)控機床誤差補償技術(shù)的主要不足和難點如下: 
  (1)誤差補償運動控制的實現(xiàn)。 誤差補償是通過移動(對于四軸以上還需轉(zhuǎn)動)雙面數(shù)控鏜孔機床的運動副以使刀具和工件在機床空間誤差的逆方向上產(chǎn)生相對運動而實現(xiàn)。誤差補償運動控制的實現(xiàn)除了要滿足補償精度 外,還要滿足實際應(yīng)用的方便性和市 場經(jīng)濟的經(jīng)濟性。再則,考慮到機床 的動態(tài)誤差,還需補償?shù)膶崟r性,所 以,對誤差補償運動控制實現(xiàn)的要求 是性、實時性、經(jīng)濟性和方便性。從目前來看,補償運動控制的實現(xiàn)可 通過:a.修改代碼補償法,但實 時性差;b.壓電陶瓷制動補償法。但反應(yīng)慢、剛度低;c.開放式數(shù)控系 統(tǒng)補償法,但絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)還未 到開放程度;d.數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)調(diào) 整補償法,如螺距補償、齒隙補償、刀 補等,但僅靜態(tài)補償;e.原點偏移補償法,但受限于數(shù)控系統(tǒng)。
  (2)數(shù)控機床誤差的綜合建模 和補償問題。目前,絕大多數(shù)的補償 將幾何誤差和熱誤差分開補償,由于機床誤差的復(fù)雜性,如定位誤差等實 質(zhì)上既是幾何誤差(與機床坐標位 置有關(guān))又是熱誤差(與機床溫度有 關(guān)),一般將這些誤差作為幾何誤差 進行補償,但實際上,這些誤差在不 同的溫度下是變化的,故對這種既是 幾何誤差又是熱誤差的復(fù)合誤差(嚴格說機床上的誤差都和溫度有關(guān)) 要進行幾何誤差和熱誤差的綜合建 模和補償。
  (3)機床誤差檢測和辨識時間 過長問題。由于機床誤差特別是熱 誤差取決于諸如室溫、機床工況(主 軸轉(zhuǎn)速和進給速度等)、切削參數(shù)、冷 卻液、加工周期等多種因素,而且機 床熱誤差呈現(xiàn)非線性及交互作用,因此,這種檢測和辨識通常需要很長時 間。另外,由于機床上的誤差元素眾 多,一般的激光測量儀測量,一次調(diào)整僅測得一項誤差元素,如何地測量,也是個解決的問題。
  (4)五軸數(shù)控機床多誤差實時補償問題。目前五軸數(shù)控機 床補償主要局限于幾何誤差建模及 補償。而且在理論上討論的比較 多,實際的動態(tài)實時補償?shù)膶嵤┖蛻?yīng)用的實例還是不多。而隨著五軸數(shù)控機床的普遍使用,為獲得 的加工精度或補償效果,五軸機床的 多誤差動態(tài)實時補償及其應(yīng)用 。
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