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采用CNC误差补偿提高加工精度
作者:Uwe Warnatz    来源:MM《金属加工》
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数控机床/铣床展厅
数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ...
铣镗加工中心的加工精度可以通过空间校正和3D补偿而提高四倍,控制系统对整体设备的3D测量数据进行处理并纠正外形误差。

没有任何机床设备是完美的,因为所有的轴会以不同的方式存在着误差:比较典型的有主轴导程误差、长轴垂度误差和高机身倾斜等问题。此类误差均可以通过现代化设备控制系统的相应功能得到纠正。但是,每个轴的补偿通常都是单独进行。其他有些常见的误差(如轴间角度小偏差和轻微偏转)在此尚未被顾及到。对这些误差往往通过NC程序加以消除。但是缺点是,此类程序无法直接用于其他设备上,他必须要进行重新匹配。

误差补偿功能集成在控制系统里

采用集成在Fanuc 30i和31i-A5系列CNC上的3D误差补偿功能(图1),可以对此类轴误差进行立体补偿。其前提条件便是对设备和所有轴进行精确的空间测量。这个过程在以往比较费时费力,因此人们大多望而却步。但是,据这种现代化铣镗床设备制造厂家介绍,由于找到了一种新的方法,因此这种空间测量变得简单得多。

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图1 在Fanuc 30i和31i-A5型CNC系列加工中心上集成了3D误差补偿功能,实现设备外形误差的纠偏

其高速CNC设备以性能可靠、使用寿命长和精度高等特点而见长。用数字表示则是:主轴方向定位精度为0.006mm,可重复精度为±0.002mm。切削机床的有效轴长为500mm、400mm和330mm,结构非常紧凑。这种CNC设备可以被用于对载重车部件、电气部件、钟表和首饰工业以及医疗工业设备的加工。

为了进一步优化铣镗床的精度,制造厂家在其Fanuc控制系统中使用了3D误差补偿功能。为了测定行走轴剩余外形误差,厂家使用了Etalon校准系统。该系统由Laser tracer激光测量仪和软件组成,软件可以从测量数据中直接计算出轴偏差并可给出校准数值(图2)。由此可以达到很高的测量精度:由于只采用长度差异,因此可以避免角度测量或采用其他辅助手段时的不确定性。仪器内部已获专利的原理可以消除车削轴的机械误差。

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图2 这种激光干涉仪可以测定行走轴的剩余外形误差

为了测定轴偏差,激光干涉仪被置于机床设备里(图3)。激光仪可以通用型旋臂盘在设备的狭小空间里进行精确定位。设备里还安设了温度传感器,以负责对激光波长进行纠偏。在机床设备之外,还使用了空气压力和湿度传感器;在主轴上设有反射器。

主要的工作在于对测量任务的规划。Trac-Cal软件里确定了设备测量路径,铣镗床的测量路径拥有998个测量点,测量点之间的间距为40mm。针对所需的设备误差模型,设计了四个不同测量路径的位置。在测量配置的参数误差方面,Monte-Carlo模拟得出了最大为1μm和1μrad的不确定性。

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图3 为了测定轴的偏差,激光干涉仪取代工件而进入到机床设备里。在主轴上设置反射器,而非刀具

连同改装作业在内的整个纠偏过程耗时90min

为了实现对铣镗床的控制,测量技术人员以G代码格式编写了四种设备程序并把程序复制到控制系统里。现有的补偿功能被关断,而四个程序则依次启动。在测量过程中,设备的特定可重复性达到<2μm。程序工作流程至少持续7min。包含加装和换装在内的整个校准过程需要90min。

考虑到在校准时的轴的尺寸膨胀因素,技术人员使用了Etalon温度测量系统。在整个校准过程中,测温系统可提供有关各个测量点温度的详情。各个测量点上的三个传感器可以对温度状况进行监测,其数据通过无线通信传送给基站。一台求值计算机计算出相应的校准值。求值结果表明,各个温度值水平虽然相对稳定,但是每个轴的温度值各不相同。

从测量中可以计算出较低的误差模型水平,因为对于此类机器设备来说,最后一个轴的旋转偏差并不重要。由此可以测定出各轴之间的定位偏差、直线度、直角度和部分俯仰角、偏角和滚动状况。然后,校准数据被复制到CNC系统里并启动补偿功能。

为了证明计算机对空间精度误差补偿纠偏的有效性,可对机床设备再次进行测量。对具备补偿功能和无补偿功能的剩余偏差的对比结果表明,所有参数偏差状况得到了明显的改善。误差量平均下降77%,这相当于精度提高了四倍。在后续采用Trac-Check软件所单独进行的ISO230-2和-6检测过程证实了这种精度的提高。

误差补偿取决于于设备的能力

误差补偿结果当然取决于测量和设备的机械性能。随着人们对精度要求的日益提高,对于重视产品精度的机床设备制造厂商来说,3D误差补偿是一种投入少、见效快的技术途径。最终用户也可从中受益:因为每台带有Fanuc 30i和31i-A5系列CNC系统的三轴至五轴机床设备均可接受后续测量并通过3D误差补偿功能进行改进。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/15/2012)
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