CN110270883B - 基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法 - Google Patents
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Abstract
基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，它属于数控机床加工精度技术领域，方法步骤包括：特征工件的设计；映射关系图的建立：特征工件的加工：在三轴数控铣床上将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工；机床几何分离和误差辨识包括：定位误差、直线度误差、垂直度误差和热误差；特征工件的测量。本发明通过特征工件设计，反映出机床的几何误差和热误差，对提高三轴数控机床的整体加工精度具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于数控机床加工精度技术领域，特别涉及一种基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法。
背景技术
随着国家制造业的转型升级，国家工业化和信息化的快速发展，企业对数控机床的需求量增加，对其性能质量也提出了更高要求。然而目前我国制造业使用的高端数控机床基本上大部分是德国、日本、美国等生产的数控机床，其根本原因是国产数控机床在其加工性能方面、运动精度方面和运行可靠性方面，与欧美、日本的先进制造装备相比还存在明显的不足。
在工业现代化推进当中，数控机床尤其是高端精密数控机床功不可没，数控机床是各个行业的技术基石，是促进各个行业蓬勃发展的强力助剂。数控机床是制造大型复杂曲面类零部件的关键设备，这些零部件广泛用于航空航天、能源、运载和国防等领域。将我国数控机床发展成为高精度、高可靠性、高智能化等融合多种最先进技术的制造装备系统，提高我国装备制造业的自主知识产权，摆脱外国高精尖制造装备的依赖，这些已经成为我们亟待解决的问题。
然而，由于数控机床存在原始几何误差(准静态误差)及切削加工过程中产生的热误差等多种误差因素，严重影响数控机床的加工精度。制造出高质量、高精度和高智能的数控机床对我国制造业以及国防事业有着全局性和战略性意义。数控机床因为自身内部组织结构与外部环境的综合原因，在加工工件时在工件上形成加工误差，机床的各项误差之中，准静态误差(几何误差、热误差)和动态误差是影响工件加工质量的主要三部分，前者占总误差的70％，又可细分为几何误差和热误差等。由于这些误差的存在，使得被加工工件的精度与加工质量大大降低。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法。
试件特征可分解成多个无耦合关系的子特征，它们分别反映不同几何与热误差项。特征分解的含义为：将实际切削工件分解成若干典型子特征，如阶梯槽、圆柱、圆锥台和斜面，从而基于子特征的加工误差辨识出几何误差与热误差元素，特征分解的优势为：简化多误差的解耦过程，提高误差辨识的效率和精度，进而提高被加工工件的质量和加工精度。
本发明的技术方案是：基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，它包括以下步骤：
特征工件的设计：设计一定尺寸的阶梯型方块试件；
映射关系图的建立：试件特征可分解成多个无耦合关系的子特征，进行测点分布；
特征工件的加工：在三轴数控铣床上将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工；
机床几何分离和误差辨识：包括：定位误差、直线度误差、垂直度误差和热误差：
(1)、定位误差辨识：分别选取子特征在对应X、Y和Z轴方向分段端面上的点云数据，与理论尺寸值相比较，从而辨识出X、Y和Z轴的定位误差；
(2)、直线度误差辨识：分析在X轴上，误差相对于Y轴、Z轴方向的点云数据，与理论尺寸值相比较，即可得到X轴在Y轴和Z轴方向上的直线度误差；分析在Y轴上，误差相对于X轴，Z轴方向点云数据，与理论尺寸值相比较，即可得到Y轴在X轴和Z轴方向上的直线度误差；垂直度误差可根据直线度误差计算而得；
(3)、热误差辨识：在不同的温度下，重复(1)的步骤，得到的温度对定位误差的影响；在主轴连续运转下，每隔一段时间，重复(2)的步骤，得到的温度对主轴轴向的热误差、径向的热误差；
特征工件的测量：将铣削好的特征工件，对所测位置点的X轴定位误差、Y轴定位误差、Z轴定位误差每间隔一定时间测量一次，进行多组不同温度下的测量，从而得到温度对定位误差拟合斜率的影响；对所测位置点的X轴在Y轴方向直线度误差、X轴在Z轴方向直线度误差、Y轴在X轴方向直线度误差、Y轴在Z轴方向直线度误差，每间隔一定时间测量一次，进行多组不同温度下的测量，从而得到主轴轴向和径向热误差。
进一步地，在三轴数控铣床上将预先编写好的加工程序，通过数控操作面板，输入到数控铣床中去，让铣床在预先编写好的加工程序下空走一遍，观察机床铣刀的运动轨迹，进一步完善加工程序并确定工艺参数，准备材料，用夹具将试件材料固定好，利用操作面板将数控机床切换到手动模式，通过手动控制铣刀的运动轨迹，将铣刀运行到材料的最右上角进行对刀，对刀完成之后，机床在优化后数控程序下进行铣削，当程序运行完成之后，特征工件也就加工完成。
本发明相比现有技术的有益效果是：
基于特征工件设计来溯源并分离三轴数控机床准静态误差和动态误差，以此为基础来对机床进行误差补偿的研究，从而达到提高三轴数控机床的整体加工精度的目的。对以后改善误差模型通用性，对提高三轴数控机床的整体加工精度具有重要意义。
本发明从加工的角度，让机床本身加工出来的工件反映机床误差，而不是用其他精密机床加工出来的标准件来反映机床误差，通过工件反映出机床误差，具体误差的辨识有映射图，通过特征工件设计，反映出机床的几何误差和热误差。如此既考虑了几何误差，又考虑了热误差，从根本上提高了机床加工的精度。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步地说明：
附图说明
图1为实施方式中试件示意图；
图2为映射关系图；
图3为定位误差和直线度误差辨识图；
图4为X轴定位误差测量点分布图；
图5为Y轴定位误差测量点分布图；
图6为Z轴定位误差测量点分布图；
图7为X轴在Y轴方向直线度误差测量点分布图；
图8为X轴在Z轴方向直线度误差测量点分布图；
图9为Y轴在X轴方向直线度误差测量点分布图；
图10为Y轴在Z轴方向直线度误差测量点分布图；
图11为实施例中不同温度下X轴定位误差测量结果曲线图；
图12为实施例中不同温度下Y轴定位误差测量结果曲线图；
图13为实施例中不同温度下Z轴定位误差测量结果曲线图；
图14为实施例中X轴在Y轴方向直线度误差测量结果曲线图；
图15为实施例中X轴在Z轴方向直线度误差测量结果曲线图；
图16为实施例中Y轴在X轴方向直线度误差测量结果曲线图；
图17为实施例中Y轴在Z轴方向直线度误差测量结果曲线图；
图18为实施例中主轴轴向热误差与温度关系曲线图；
图19为三轴数控机床的主轴X径向热误差与温度关系曲线图；
图20为三轴数控机床的主轴Y径向热误差与温度关系曲线图。
具体实施方式
参见图1-图10所示，本实施方式的基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，它包括以下步骤：
特征工件的设计：设计一定尺寸的阶梯型方块试件；
映射关系图的建立：试件特征可分解成多个无耦合关系的子特征，进行测点分布；
特征工件的加工：在三轴数控铣床上将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工；
机床几何分离和误差辨识：包括：定位误差、直线度误差、垂直度误差和热误差：
(1)、定位误差辨识：分别选取子特征在对应X、Y和Z轴方向分段端面上的点云数据，与理论尺寸值相比较，从而辨识出X、Y和Z轴的定位误差；
(2)、直线度误差辨识：分析在X轴上，误差相对于Y轴、Z轴方向的点云数据，与理论尺寸值相比较，即可得到X轴在Y轴和Z轴方向上的直线度误差；分析在Y轴上，误差相对于X轴，Z轴方向点云数据，与理论尺寸值相比较，即可得到Y轴在X轴和Z轴方向上的直线度误差；垂直度误差可根据直线度误差计算而得；
由于机床三个坐标轴X轴、Y轴和Z轴相互垂直，还存在三个垂直度热误差，在定义垂直度误差时，首先需要定义基准轴，一般以X轴作为基准轴，而垂直度误差的测量，通过三坐标机，直接测量；
(3)、热误差辨识：在不同的温度下，重复(1)的步骤，得到的温度对定位误差的影响；在主轴连续运转下，每隔一段时间，重复(2)的步骤，得到的温度对主轴轴向的热误差、径向的热误差；由于主轴的连续运转产生热量导致主轴升温，间隔相同的时间段进行测量，也表示测量结果是主轴在不同温度下的误差；
特征工件的测量：将铣削好的特征工件，对所测位置点的X轴定位误差、Y轴定位误差、Z轴定位误差每间隔一定时间测量一次，进行多组不同温度下的测量，从而得到温度对定位误差拟合斜率的影响；
对所测位置点的X轴在Y轴方向直线度误差，也即主轴Y径向热误差、X轴在Z轴方向直线度误差，也即主轴轴向向热误差、Y轴在X轴方向直线度误差，也即主轴X径向热误差、Y轴在Z轴方向直线度误差，也即主轴轴向向热误差，每间隔一定时间测量一次，进行多组不同温度下的测量，从而得到主轴轴向和径向热误差。
上述实施方式中，特征工件的加工中，在三轴数控铣床上将预先编写好的加工程序，通过数控操作面板，输入到数控铣床中去，让铣床在预先编写好的加工程序下空走一遍，观察机床铣刀的运动轨迹，进一步完善加工程序并确定工艺参数，准备材料，用夹具将试件材料固定好，利用操作面板将数控机床切换到手动模式，通过手动控制铣刀的运动轨迹，将铣刀运行到材料的最右上角进行对刀，对刀完成之后，机床在优化后数控程序下进行铣削，当程序运行完成之后，特征工件也就加工完成。工件选用铝合金材料，可选取1000mm×800mm×500mm的方块试件。
在几何分离和误差辨识中，如图3所示的黑点显示是X向测点。
对所测位置点的X轴定位误差、Y轴定位误差、Z轴定位误差每间隔50分钟测量一次，并进行三组不同温度下的测量，从而得到温度对定位误差拟合斜率的影响；
对所测位置点的X轴在Y轴方向直线度误差、X轴在Z轴方向直线度误差、Y轴在X轴方向直线度误差、Y轴在Z轴方向直线度误差每间隔10分钟测量一次，进行十五组不同温度下的测量。所述试件特征分解的子特征为阶梯槽、圆柱、圆锥台或斜面。定位误差辨识中，选取阶梯槽在对应X、Y和Z轴方向分段端面上的点云数据。
如图4-图10所示，以1000mm×800mm×500mm的方形阶梯块为例，试件特征可分解成多个无耦合关系的阶梯槽子特征，分别选取阶梯槽在对应X、Y和Z轴方向分段端面上的点云数据进行定位误差辨识。方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)。特征工件测量时，X轴定位误差、Y轴定位误差、Z轴定位误差每间隔50分钟测量一次，进行三组不同温度下的测量，从而得到温度对定位误差拟合斜率的影响；X轴在Y轴方向直线度误差、X轴在Z轴方向直线度误差、Y轴在X轴方向直线度误差和Y轴在Z轴方向直线度误差每间隔十分钟测量一次，进行十五组不同温度下的测量，从而得到主轴轴向和径向热误差。
如图4所示，X轴定位误差测量方法，方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到Y轴的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到Y轴距离成等差数列，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床X轴存在的定位误差。
如图5所示，Y轴定位误差测量方法，方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到X轴的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到X轴距离成等差数列，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床Y轴存在的定位误差。
如图6所示，Z轴定位误差的测量方法：方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到XOY平面的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到XOY平面距离成等差数列，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床轴存在Z轴的定位误差。
如图7所示，X轴在Y轴方向直线度误差方法：方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到X轴的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到X轴距离是相同的，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床轴存在X轴在Y轴方向直线度误差。
如图8所示，X轴在Z轴方向直线度误差方法：方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到X轴的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到X轴距离是相同的，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床轴存在X在Z轴方向直线度误差。
如图9所示，Y轴在X轴方向直线度误差方法：方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到Y轴的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到Y轴距离是相同的，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床轴存在Y在X轴方向直线度误差。
如图10所示，Y轴在Z轴方向直线度误差方法：方形阶梯块最顶端的黑点表示对刀原点，阶梯台面或侧面上的黑点标记即为所测位置点(测量点)，测量每个点到Y轴的距离。在零件设计过程中，每一个测量点到Y轴距离是相同的，测量出来的实际距离与设计距离之间的差值，即为由于机床轴存在Y轴在Z轴方向直线度误差。
实施例
结合图1-图20所示，本实施案例中，选取1000mm×800mm×500mm的铝合金材料阶梯型方块，映射关系图建立，特征工件加工是在Fanuc 0i三轴数控铣床上进行的，将事先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工。特征工件铣削完成之后，几何分离和误差辨识，然后特征工件的测量，用三坐标机，千分表以及测量头对试件上标的点进行测量。X轴定位误差测量10组、Y轴定位误差测量10组、Z轴定位误差测量10组、X轴在Y轴方向直线度误差测量10组、X轴在Z轴方向直线度误差测量10组、Y轴在X轴方向直线度误差测量10组、Y轴在Z轴方向直线度误差测量10组、主轴轴向热误差测量15组、主轴X径向热误差15组、主轴Y径向误差15。总共测得115项数据。经过整理得到如下误差关系图。
在X轴的行程范围内，每间隔50mm作为一个测量点，得到X轴定位误差大小与X轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图10中T1所示，在一定范围内，X轴方向距离原点越远，X轴的定位误差越大。间隔10分钟(由于主轴旋转，导致主轴升温)，在X轴的行程范围内，每间隔50mm作为一个测量点，再次进行测量，得到如图11所示T2所示。再次间隔10分钟，重复测量，得到如图11所示T3所示。根据T1，T2，T3所示，温度对X轴的定位误差呈正相关。即温度对定位误差拟合斜率影响：温度越高，拟合出直线的斜率越大。
在Y轴的行程范围内，每间隔40mm作为一个测量点，得到Y轴定位误差大小与Y轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图11中T1所示，在一定范围内，Y轴方向距离原点越远，Y轴的定位误差越大。间隔10分钟(由于主轴旋转，导致主轴升温)，在Y轴的行程范围内，每间隔40mm作为一个测量点，再次进行测量，得到如图12所示T2所示。再次间隔10分钟，重复测量，得到如图12所示T3所示。根据T1，T2，T3所示，温度对X轴的定位误差呈正相关。
在Z轴的行程范围内，每间隔40mm作为一个测量点，得到Z轴定位误差大小与Z轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图12中T1所示，在一定范围内，Z轴方向距离原点越远，Z轴的定位误差越大。间隔10分钟(由于主轴旋转，导致主轴升温)，在Z轴的行程范围内，每间隔40mm作为一个测量点，再次进行测量，得到如图13所示T2所示。再次间隔10分钟，重复测量，得到如图13所示T3所示。根据T1，T2，T3所示，温度对Z轴的定位误差呈正相关。
在X轴的行程范围内，每间隔50mm作为一个测量点，得到X轴在Y轴方向直线度误差大小与X轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图14所示，行程两端的直线度误差为零，中间的直线度误差最大。
在X轴的行程范围内，每间隔50mm作为一个测量点，得到X轴在Z轴方向直线度误差大小与X轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图15所示，行程两端的直线度误差为零，中间的直线度误差最大。
在Y轴的行程范围内，每间隔40mm作为一个测量点，得到Y轴在X轴方向直线度误差大小与Y轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图16所示，行程两端的直线度误差为零，中间的直线度误差最大。
在Y轴的行程范围内，每间隔40mm作为一个测量点，得到Y在Z轴方向直线度误差大小与Y轴距离原点(对刀标定后的机床原点)的大小关系如下图17所示，行程两端的直线度误差为零，中间的直线度误差最大。
在主轴连续运转的情况下，每间隔10分钟，测量一次主轴轴向伸长量，得到主轴轴向伸长量和温度变化得关系如图18所示，主轴的轴向伸长量与温度呈正相关。
在主轴连续运转的情况下，每间隔10分钟，测量一次主轴X径向伸长量，得到主轴X径向伸长量和温度变化得关系如图19所示，主轴的X径向伸长量与温度呈正相关。
在主轴连续运转的情况下，每间隔10分钟，测量一次主轴Y径向伸长量，得到主轴Y径向伸长量和温度变化得关系如图20所示，主轴的Y径向伸长量与温度呈正相关。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (7)
1.基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，它包括以下步骤：
特征工件的设计：设计一定尺寸的阶梯型方块试件；
映射关系图的建立：试件特征可分解成多个无耦合关系的子特征，进行测点分布；
特征工件的加工：在三轴数控铣床上将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工；
机床几何分离和误差辨识：包括：定位误差、直线度误差、垂直度误差和热误差：
(1)、定位误差辨识：分别选取子特征在对应X、Y和Z轴方向分段端面上的点云数据，与理论尺寸值相比较，从而辨识出X、Y和Z轴的定位误差；
(2)、直线度误差辨识：分析在X轴上，误差相对于Y轴、Z轴方向的点云数据，与理论尺寸值相比较，即可得到X轴在Y轴和Z轴方向上的直线度误差；分析在Y轴上，误差相对于X轴，Z轴方向点云数据，与理论尺寸值相比较，即可得到Y轴在X轴和Z轴方向上的直线度误差；垂直度误差可根据直线度误差计算而得；
(3)、热误差辨识：在不同的温度下，重复(1)的步骤，得到的温度对定位误差的影响；在主轴连续运转下，每隔一段时间，重复(2)的步骤，得到的温度对主轴轴向的热误差、径向的热误差；
特征工件的测量：将铣削好的特征工件，对所测位置点的X轴定位误差、Y轴定位误差、Z轴定位误差每间隔一定时间测量一次，进行多组不同温度下的测量，从而得到温度对定位误差拟合斜率的影响；
对所测位置点的X轴在Y轴方向直线度误差、X轴在Z轴方向直线度误差、Y轴在X轴方向直线度误差、Y轴在Z轴方向直线度误差每间隔一定时间测量一次，进行多组不同温度下的测量，从而得到主轴轴向和径向热误差。
2.根据权利要求1所述基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，其特征在于：在三轴数控铣床上将预先编写好的加工程序，通过数控操作面板，输入到数控铣床中去，让铣床在预先编写好的加工程序下空走一遍，观察机床铣刀的运动轨迹，进一步完善加工程序并确定工艺参数，准备材料，用夹具将试件材料固定好，利用操作面板将数控机床切换到手动模式，通过手动控制铣刀的运动轨迹，将铣刀运行到材料的最右上角进行对刀，对刀完成之后，机床在优化后数控程序下进行铣削，当程序运行完成之后，特征工件也就加工完成。
3.根据权利要求2所述基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，其特征在于：对所测位置点的X轴定位误差、Y轴定位误差、Z轴定位误差每间隔50分钟测量一次，并进行三组不同温度下的测量。
4.根据权利要求3所述基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，其特征在于：对所测位置点的X轴在Y轴方向直线度误差、X轴在Z轴方向直线度误差、Y轴在X轴方向直线度误差、Y轴在Z轴方向直线度误差每间隔10分钟测量一次，进行十五组不同温度下的测量。
5.根据权利要求4所述基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，其特征在于：所述试件特征分解的子特征为阶梯槽、圆柱、圆锥台或斜面。
6.根据权利要求5所述基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，其特征在于：定位误差辨识中，子特征选取阶梯槽在对应X、Y和Z轴方向分段端面上的点云数据。
7.根据权利要求6所述基于试件特征分解的三轴数控机床几何误差与热误差逆向辨识方法，其特征在于：特征工件加工的工件选用铝合金材料。
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