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机械工程学报在线阅读
多轴数控机床的在机测量方案创成及优化方法
高峰 赵柏酒 李地 王春军
(西宏理工大学机械与精密仪器工程学院 四安 71004)
---文章选自机械工程学报杂志
摘要;轴数控机来的机测最会存元余运动自由度,由此导致一个测量任务会有多个与之对应的伺服运动方案,而确定的同眼运动方案,是保证机测量性能的前提,针对这一问题,提出 种基于机床功能面向测量任务的在机测量运动案创成方法,采用老体系统理论及齐次坐标变换方法对被测对象的几何特征及数控机床的运动形式进行数学解析,建立以鼓洲几树特征为自变量、以机床伺服运动为因变量的通数方程,求解该方程获得所有可能的测量运动方案,在此基础上,通过分析方程解的取位范围,验证所有测量运动方案的功能,考虑到数控机来的结构及何服特性对润星精度的影响,提出了测n方案性能评价准期,并张此确定最代的湖量方案,在某数控成形的轮靠齿机上进行了齿形偏差的在机测量,试验结果验证该方法的有效性和可行性,利用该方法确定的最优在机测量方案测量精度高,重复性好
关键词:多轴数控机来;在机测量;方案创成,齿那偏差
中图分类号, TG806, H105
On-machine Measurement Scheme Generation and Optimization Methodfor Multi-axis CNC Machine Tool
GAO Feng ZHAO Bohan LI Yan WANG Chunjur
(School or Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048)
Atrat The uli-axis C achie to ma hae soeredudatfredomsf or beinguedinomachine masuremtoM),which will result in that one measurment ak could be done by diffent servo motion schemes. Thus, how to determine meteringshenes tocheck wope ih ih acra eieny a ptn pelana l o ou fo researhesT osetis poble,a gnration etod o s-rieited M sce proposed.tlingmuli-dysytem thery ndhomogenousordintersormtn geotriac atrit o orpeca a moentso ahene ol rayed mateaialy.
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te eto psentedi th p s od caeritico cr can areabliy
Key words muli-axis CNC machine tool on-machine measurement; scheme generations gear profile crro
前言
数字化设计加工一测量一体化的闭环制造极式,是加工具有高几何精度、高物理性能要求的复染零件的重要手段", “在机测量(On-machinemesurement)"作为这一先进制造模式的重要使能技术,将精密测量及仪器技术融入到数控加工过程中,实时反馈、处理加工工件的工艺信息,使测量与加工紧密结合,实现了制造过程的智能化、高精密化和高效化2,由于无须将工件从机床搬至测量设备,避免了因工艺基准不重合造成的误差,保过了加工精度,缩短了辅助时间,降低了劳动强度。提高了生产力。
研究适合机械制造在机测量的快速高效、抗干扰能力强、高可靠性的测量技术,是机械测量学重要科技问题及发展趋势"。当前,在机测量技术的研究主要集中在以下三个方面.
(1)针对特定工件或专用机床建立在机测量系统,高峰等11提出了利用数控成形炒轮游访机高精度数控轴实现齿轮精度检测的在机测量方法:陈岳圳1"研究了复杂曲面的在线测量,提出一种新的基于空间统计分析的误差补偿方法SAZEDUR 等P针对非球面廓形建立了在机测量系统,以提高光学元件的磨削精度;王志永等1提出了基于展成原理的螺旋馆齿轮的在机测量方法。然而,上述这些研究都是针对特定几何特征零件建立在机测量系统,并没有提供一种能够适用于任意工件、任意结构机床的测量方案设计方法,应用范围有限
(2)在机测量过程的误差分析与补偿。高峰等提出了一种基于误差阳离的触发式测头预行程标定方法,标定了测头在实际工况下的预行程110;王立成等1"提出了自动调整测头偏心的方法,并用标定球对测头的实际作用半径进行了校准、研究了基于在线标定和双线性插值技术的逐点测头半径补偿方法: WOZNIAK等(1)研发了一种测量过程中测头触发力的检测装置: JANKOWSKIM等1)提出了种基于半球形标定体的触发行程检定方法:上述这些方法都是一种被动的精度保证方法,即先检测误再补偿误差,无法实现对测量误差的主动测激和规避,更为科学的方法是:首先评价各测量方案的精度水平,选取测量精度最高的方案,在此基础上再进行测量误差的辨识与补偿,最终获得最高的测量精度。
(3)应用在机测量技术进行数控机床综合材度的辨识。 CHEN等14应用在机测量技术对硬原合金非球面构型磨削过程进行了精度补偿IBARAKI 等(15.17应用在机测量技术辨识了五轴数控机床的综合精度,这些研究属于在机测量技术的扩展应用.
综合当前的各类文献,鲜见对能够满足任意结构数控机床、任意工件几何特征测量的在机测量方案的创成方法的相关研究、报道,工件的加工精度在机测量,就是通过机床伺服系统控制各轴运动实现测头与工件之间的相对运动,将标准特征映射到被测特征上，通过分析测头示值的变化,最终得到测量结果。由于多轴数控机床所拥有的伺眼轴数往生多于完成在机测量运动所需的伺服轴数,导致一个测量任务存在多个与之对应的伺服运动控制方案。并且,考虑到数控机床不可避免地存在几何及运动误差。而这些误差会“复制到”测量数据中,严重影响在机测量的精度。因此,如何科学合理地确定最优的测量方案以保证在机测量的高精度、高效率,是季行解决的问题,目前的测量方案设计方法客是基于经验类比或宜觉感官选定问服运动方案,缺乏理论支撑,造成测量方案单一,局限性较为严重,无法有效发挥并充分运用机床的运动及精度滑能,更不利于在机测量误差的分析、溯源、靖识及补偿。
针对上述问题,本文提出了一种基于机床结构并面向测量任务的在机测量运动方案创成方法:首先,建立被测特征与机床伺服运动之间的函数关系;
而后,求解读方程,获得所有测量运动方案:在此基础上、对所有方案进行功能筛查和性能评价,最终确定最优的测量方案。
1创成方法
在机测量时,测头的运动轨迹就是工件的被测特征。测量方案创成,旨在建立机床运动功能与被测特征之间的映射关系,找出能够生成被测特征的所有伺服运动方案,并依据各方案的测量范围及性能,确定最优方案,其具体过程,如图1所示,分为三个阶段: ①测量要素解析: ②测量方案解析:③测量方案评价。测量要素都析胜测对象)-提取被测特征信息 |探针形状床结构解析) 1被洲特征模型
在测量要素解析阶段,一是应用多体理论及齐次坐标变换方法建立机床的运动功能模型:二是建立被测特征模型及探针的触测刃模型;三是确定探针与被测特征的接触关系。在测量方案解析阶段,根据探针与被测特征的接触关系建立以被测几何特征为自变量、以机床伺服运动为因变量的函数表达并求解,以获得所有可能的测量运动方案。在测量方案评价阶段,首先进行测量方案的功能分析,去徐那些无法满足所有被测特征的方案;最后分析各测量方案的性能,以机床的几何精度及性能、测量效率为评判依据，确定最优的测量方案。
4 结论
(1)提出了一种基于机床结构并面向测量任务的在机测量运动方案创成方法。通过解析推导获得所有可能的测量运动方案。该方法可应用于任何结构数控机床在机测量方案的确定。
(2)提出了在机测量方案性能评价的准则,分别是:参与伺服轴最少原则,重心偏移最小原则及长度基准最短原则。
(3)应用本文方法,以某五轴数控成形砂轮磨齿机齿形偏差在机测量为例,进行了测量方案的创成,确定了最优的在机测量方案。
(4)应用本文方法确定的测量方案,进行了齿形偏差在机测量试验。在机测量结果与KLINGELNBERG P100齿轮测量中心上的计量结果有很高的致性。试验证明,本文方法快速、有效。
参考文献
[1]国家自然科学基金委员会工程与材料科学学部.机械工程学科发展战略报告(2011-2020)[M].北京:科学出版社, 2010. Department of engineering and material science, National
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