數(shù)控外圓磨床精度優(yōu)化設(shè)計研究現(xiàn)狀
2021-6-24 來源： 北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部 作者：范晉偉 李晨寶
摘要 : 數(shù)控外圓磨床的精度受靜態(tài)和動態(tài)誤差的綜合作用。本文綜述了精度優(yōu)化設(shè)計的三個方面 : 誤差建模方法、關(guān)鍵零部件靈敏度分析和精度優(yōu)化分配方法，總結(jié)了現(xiàn)有的誤差補(bǔ)償研究法，并系統(tǒng)地分析了數(shù)控外圓磨床精度優(yōu)化設(shè)計中亟待解決的問題，探討了機(jī)床精度設(shè)計的研究方向。
關(guān)鍵詞 : 精度優(yōu)化設(shè)計 ; 誤差建模 ; 靈敏度分析 ; 精度優(yōu)化分配 ; 誤差補(bǔ)償
1.引言
在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，被稱為 “工作母機(jī)”的數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)發(fā)展中占據(jù)無可取代的地位，其研制水平在一定程度上象征著制造業(yè)的綜合實(shí)力。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，對機(jī)床生產(chǎn)的零件精度要求日益提高，機(jī)床精度的研究得到廣泛重視。
加工誤差是機(jī)床加工精度在工件上最直接的體現(xiàn)。加工誤差是指刀具實(shí)際加工軌跡與工件理論輪廓之間的偏差，幾何誤差是機(jī)床加工精度最直接、最關(guān)鍵的影響因素。如圖 1 所示，數(shù)控機(jī)床主要由平動軸和回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，以數(shù)控外圓磨床為例，各軸運(yùn)動誤差相互作用，共同影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。
數(shù)控機(jī)床精度研究主要包括精度設(shè)計和誤差補(bǔ)償兩方面。精度設(shè)計是指在機(jī)床設(shè)計初期根據(jù)關(guān)鍵零部件誤差靈敏度分析結(jié)果，找到影響機(jī)床精度的關(guān)鍵誤差源，通過提高關(guān)鍵零部件的制造精度以及合理的公差分配方法來提升機(jī)床原始精度。誤差補(bǔ)償是通過硬件或軟件來調(diào)整刀具位姿、修改機(jī)床控制參數(shù)、調(diào)整 G 代碼來補(bǔ)償機(jī)床運(yùn)動過程中產(chǎn)生的誤差。本文通過誤差建模、關(guān)鍵零部件靈敏度分析、精度優(yōu)化分配以及誤差補(bǔ)償四個方面，探討數(shù)控機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計的研究現(xiàn)
狀和亟待決的難題。
圖 1 數(shù)控外圓磨床誤差因素
2.數(shù)控機(jī)床誤差建模方法
數(shù)控機(jī)床的主要誤差源包括零部件的制造誤差、關(guān)鍵零部件的裝配誤差、切削力產(chǎn)生的變形、主軸持續(xù)轉(zhuǎn)動引起的熱誤差以及控制誤差等。根據(jù)誤差的力學(xué)特性與動態(tài)特性，機(jī)床誤差通常分為靜態(tài)誤差與動態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包含關(guān)鍵部件尺寸誤差和裝配體間的位姿誤差等。動態(tài)誤差主要包含各軸在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的變形振動及熱誤差等。
為反映機(jī)床誤差源與刀具位姿誤差的映射關(guān)系，通過誤差建模表達(dá)機(jī)床各運(yùn)動軸的空間位姿誤差。常用數(shù)學(xué)工具主要有旋量理論、指數(shù)積公式和四元法等，其中齊次坐標(biāo)變換法應(yīng)用最廣泛，其清晰的數(shù)學(xué)表達(dá)形式被廣泛應(yīng)用于機(jī)床的誤差建模。在誤差建模方面，已開展大量的研究工作，目前已研究出多種不同的運(yùn)動誤差數(shù)學(xué)模型建模方法，如幾何建模法、誤差矩陣法、機(jī)構(gòu)學(xué)建模法、剛體運(yùn)動學(xué)法和多體系統(tǒng)理論法等。Fan J.W．等基于多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)，通過構(gòu)造機(jī)床整機(jī)拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu) ( 其中相鄰體相對運(yùn)動如圖 2 所示 ) 提出了一種通用的機(jī)床幾何誤差模型。Ding G．等基于多系統(tǒng)理論和齊次坐標(biāo)變換建立了五軸外圓銑床的空間定位精度模型。Wu C．等基于多體系統(tǒng)理論和相對運(yùn)動約束方程，建立了五軸非正交數(shù)控機(jī)床的刀具位姿預(yù)測模型。
圖 2 相鄰體相對運(yùn)動示意圖
目前，誤差建模研究已相對成熟，對于研究精密及超精密加工條件下機(jī)床動態(tài)因素對機(jī)床精度的影響尤為重要，其中針對運(yùn)動過程中產(chǎn)生的變形研究較多，針對熱誤差的研究相對較少。
3.關(guān)鍵零部件靈敏度分析
機(jī)床誤差靈敏度分析是通過研究零部件幾何誤差的不確定性來源對機(jī)床加工精度的敏感程度，對各零部件按敏感程度排序，找出對機(jī)床精度影響較高項(xiàng)進(jìn)行合理分配公差，以此來提高機(jī)床空間定位精度。靈敏度分析常常被認(rèn)為是誤差建模及分析的先決條件，是機(jī)床精度設(shè)計的重要理論依據(jù)。
目前，靈敏度分析方法主要分為局部靈敏度分析法和全局靈敏度分析法。相對局部靈敏度分析，全局靈敏度分析法綜合考慮了各因素的概率密度函數(shù)的分布及形狀的影響，在分析過程中，各因素可不斷變化。Cheng Q．等基于全局靈敏度分析法，提出了多軸機(jī)床關(guān)鍵幾何誤差識別方法，通過識別關(guān)鍵誤差，提高機(jī)床加工精度。Li． 等以五軸機(jī)床為例，在傳統(tǒng)靈敏度指數(shù)定義基礎(chǔ)上提出了廣義局部靈敏度指數(shù)、廣義全局靈敏度指數(shù)和一般全局靈敏度波動指數(shù)，該方法不僅減少了機(jī)床的誤差分量，還提高了刀具的切削精度。Fang J．等提出了基于擬蒙特卡羅算法的五軸機(jī)床加工誤差全局靈敏度分析方法。利用機(jī)床空間運(yùn)動誤差模型，對各誤差源參數(shù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將所得結(jié)果進(jìn)行歸一化處理并從大到小排序，以此來判斷對機(jī)床空間運(yùn)動誤差影響較大的零部件。
靈敏度研究大多是基于機(jī)床空間誤差模型，對誤差源參數(shù)求導(dǎo)時會導(dǎo)致誤差源參數(shù)被消掉，無法反應(yīng)誤差源參數(shù)隨機(jī)床位置變換而變化的特性，不能反映機(jī)床實(shí)際加工誤差。
4.機(jī)床精度優(yōu)化分配方法
精度優(yōu)化分配是指在給定的輸出精度要求下，分配機(jī)床關(guān)鍵零部件的精度，其關(guān)鍵在于建立合理的數(shù)控機(jī)床整體的精度優(yōu)化模型，并采取有效的方法進(jìn)行精度優(yōu)化分配。在精度優(yōu)化分配方法研究中，構(gòu)建合理的精度優(yōu)化模型是研究的重點(diǎn)。徐徐基于區(qū)間層次分析的機(jī)床精度層級映射方法，通過建立的機(jī)床精度成本和可靠性模型，利用優(yōu)化的 NSGA- Ⅱ遺傳算法，得到 Pareto最優(yōu)解的機(jī)床精度分配。Cheng Q．等基于靈敏度分析和一次二階矩理論，構(gòu)建基于多體理論的多軸數(shù)控機(jī)床空間誤差模型，實(shí)現(xiàn)了以加工總成本為最小的幾何精度優(yōu)化分配。Zhang Z．等考慮五軸機(jī)床的幾何約束，提出了基于機(jī)床幾何誤差和成本的可靠性模型的精度優(yōu)化分配方法。Nujoom Ｒ．等提出了基于制造系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，為公差優(yōu)化分配奠定理論基礎(chǔ)。
在目前的優(yōu)化設(shè)計方法中，綜合成本因素過程大多依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，在實(shí)際設(shè)計中存在不確定性。
5.數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方法
5.1幾何誤差補(bǔ)償
現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的幾何誤差補(bǔ)償方式主要有兩種 : 硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償是指針對機(jī)床特性，利用某些補(bǔ)償裝置或微動機(jī)構(gòu)對機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行修正。張兆瑞設(shè)計了一種絲杠傳動螺距矯正裝置，用于補(bǔ)償車床在加工精密絲杠時產(chǎn)生的誤差 ( 見圖 3) 。Gan S．W．等設(shè)計了一種微動補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高精鏡面加工誤差補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償可調(diào)節(jié)性較差或調(diào)節(jié)范圍有限，適用范圍小，當(dāng)機(jī)床的幾何誤差發(fā)生較大變化時，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)無法發(fā)揮作用，此外硬件補(bǔ)償機(jī)構(gòu)具有針對性，制造成本和設(shè)計周期也成為限制其發(fā)展的因素。
圖 3 基于壓電陶瓷的微動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)
軟件補(bǔ)償是基于機(jī)床誤差預(yù)測模型發(fā)展的，通常在幾何誤差檢測、辨識后建立機(jī)床的加工誤差預(yù)測模型后，根據(jù)誤差預(yù)測模型計算得到工件加工過程刀尖點(diǎn)的空間位置誤差，通過進(jìn)行坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置、修改 NC 代碼或在控制系統(tǒng)中增加前反饋補(bǔ)償?shù)牟僮鞣绞降毒咛岣呖臻g定位精度。Shen H．等基于五軸數(shù)控機(jī)床的誤差預(yù)測模型，提出了修改坐標(biāo)偏置幾何誤差補(bǔ)償方法，有效地補(bǔ)償了機(jī)床幾何誤差及熱誤差。余文利等提出了基于粒子群優(yōu)化算法的數(shù)控幾何誤差補(bǔ)償方法，通過 NC 代碼優(yōu)化工件，有效地提高了數(shù)控機(jī)床精度，補(bǔ)償流程如圖 4 所示。
圖 4 基于 PSO 算法的幾何誤差補(bǔ)償方法流程
5.2動態(tài)誤差補(bǔ)償
動態(tài)誤差具有隨機(jī)、時變和動態(tài)特性，其補(bǔ)償方法與幾何誤差補(bǔ)償方法的差異較大。Chen C．Y．等提出了一種能夠自適應(yīng)補(bǔ)償擾動的動態(tài)控制方法，通過控制自適應(yīng)調(diào)節(jié)誤差補(bǔ)償器來實(shí)時跟蹤補(bǔ)償伺服系統(tǒng)的輸出。目前動態(tài)誤差的補(bǔ)償方法尚處于研究初期，機(jī)床動態(tài)精度的改善主要通過伺服增益的優(yōu)和調(diào)整控制算法來實(shí)現(xiàn)。
6.結(jié)語
本文從誤差建模、關(guān)鍵零部件靈敏度分析、精度優(yōu)化分配及誤差補(bǔ)償四個方面對數(shù)控機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)性地論述，雖然機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計目前已經(jīng)取得大量研究成果，但仍存在以下幾點(diǎn)亟待解決的問題 :
(1) 現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床誤差建模多以研究機(jī)床靜態(tài)性能為主。對于精密及超精密加工，影響機(jī)床加工精度的主要因素為機(jī)床動態(tài)誤差。因此，建立機(jī)床動態(tài)誤差源參數(shù)模型是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。
(2) 靈敏度分析是近年來發(fā)展較迅速的新型分析方法，具有良好的診斷性和預(yù)測性。而此類研究方法得到的誤差源參數(shù)敏感度排序結(jié)果大多憑經(jīng)驗(yàn)得到，即距離加工點(diǎn)越遠(yuǎn)的零部件對機(jī)床運(yùn)行精度要求越大。實(shí)際并未考慮到誤差源參數(shù)隨機(jī)床運(yùn)動而改變，如何真實(shí)反映機(jī)床實(shí)際加工誤差的產(chǎn)生規(guī)律是下一步研究重點(diǎn)。
(3) 目前的精度優(yōu)化分配主要分為公差優(yōu)化分配和幾何精度優(yōu)化分配。公差優(yōu)化分配即零部件公差的研究，主要研究零部件的公差對該部件內(nèi)部定位和幾何面之間關(guān)系產(chǎn)生的影響以及對該零部件精度尺寸鏈累計誤差影響。目前對于零部件與機(jī)床誤差源參數(shù)的關(guān)系研究仍缺少一套完整的理論方法。
(4) 相比于硬件補(bǔ)償，軟件補(bǔ)償具有成本低、調(diào)節(jié)性好和補(bǔ)償方式多樣化等優(yōu)點(diǎn)。軟件補(bǔ)償是目前的研究重點(diǎn)，如何提高誤差預(yù)測模型精度，提升軟件補(bǔ)償方法的補(bǔ)償效果以及動態(tài)誤差補(bǔ)償方法都是誤差補(bǔ)償研究的方向。
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