国内外数控机床的研究历史与现状

发布时间:2020-01-17  发布者:禹创重工机械
  机床的几何误差(由机床本身制造、装配缺陷造成的误差)、热误差(由机床温度变化而引起热变形造成的误差)及切削力误差(由机床切削力引起力变形造成的误差)是影响加工精度的关键因素,这3项误差可占总加工误差的80%左右。
   提高阀门机床加工精度有两种基本方法:误差预防法和误差补偿法。误差预防法是一种“硬技术”,通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源,靠提高机床制作精度来满足加工精度要求。误差预防法有很大的局限性,即使能够实现,在经济上的代价往往是很高的。误差补偿法是使用软件技术,人为产生出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差,是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。通过误差补偿可在 机床上加工出超过机床本身精度的工件,这是一种“精度进化”的概念。近年来,误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识,并使之得以迅速发展和推广,已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。数控机床误差动态综合补偿已列人国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”表明我国政 府对数控机床误差动态综合补偿技术的高度重视。
  本文综合国内外数控机床误差补偿技术现状,指出其主要不足和难点,并介绍针对这些不足和难点而进行的研究课题,其中包括:基于机床外部坐标系原点偏移的实时补偿器研制、复合误差建模和补偿、考虑温度变化的机床误差高效测量、五轴数 控机床误差解藕实时补偿、机床上关键温度点的优化选择、切削力误差实时补偿。
  最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1933年,瑞士通过对坐标锁床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精度的主要因素。由此开始了机床误差的检测、建模和补偿技术研究。从目前来看,在机床误差检测、建模和补偿技术研究和应用中比较有影响的有美国密西根大学、日本东京大学、日立精机、德国柏林工业大学等。其中,美国密西根大学在19%年成功地将热误差补偿技术实施于美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的150多台车削中心上,使加工精度提高1倍以上,作者作为主要人员参与了这个项目。
  我国对机床热变形及误差补偿技术的研究始于20世纪50年代,到70年代末,有关机床热变形及误差补偿技术研究工作在不少高校和研究单位先后展开。近年来,天津大学、西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、北京机床研究所、北京理工大学、清华大学、南京航空航天大学、国防科学技术大学、台湾国立台湾大学、台湾清华大学、上海交通大学等对机床误差补偿技术进行着研究。
  纵观国内外,在有关人员的不懈努力下,数控机床误差补偿技术有了较快的发展,但从目前来看,在国外,数控机床误差实时补偿技术大批量在工业中应用的例子并不多,还没成熟到商业化程度。在国内,误差实时补偿技术大部分还停留在实验室范围内,还未见在生产厂家批量数控机床上应用误差实时补偿技术的报道。
  这说明误差补偿理论和技术还有很大余地可开发。目前,数控机床误差补偿技术的主要不足和难点如下: 
  (1)误差补偿运动控制的实现。 误差补偿是通过移动(对于四轴以上还需转动)双面数控镗孔专用机床的运动副以使刀具和工件在机床空间误差的逆方向上产生相对运动而实现。误差补偿运动控制的实现除了要满足补偿精度 外,还要满足实际应用的方便性和市 场经济的经济性。再则,考虑到机床 的动态误差,还需补偿的实时性,所 以,对误差补偿运动控制实现的要求 是精确性、实时性、经济性和方便性。从目前来看,补偿运动控制的实现可 通过:a.修改代码补偿法,但实 时性差;b.压电陶瓷制动补偿法。但反应慢、刚度低;c.开放式数控系 统补偿法,但绝大多数数控系统还未 到开放程度;d.数控系统内部参数调 整补偿法,如螺距补偿、齿隙补偿、刀 补等,但仅静态补偿;e.原点偏移补偿法,但受限于数控系统。
  (2)数控机床误差的综合建模 和补偿问题。目前,绝大多数的补偿 将几何误差和热误差分开补偿,由于机床误差的复杂性,如定位误差等实 质上既是几何误差(与机床坐标位 置有关)又是热误差(与机床温度有 关),一般将这些误差作为几何误差 进行补偿,但实际上,这些误差在不 同的温度下是变化的,故对这种既是 几何误差又是热误差的复合误差(严格说机床上的误差都和温度有关) 要进行几何误差和热误差的综合建 模和补偿。
  (3)机床误差检测和辨识时间 过长问题。由于机床误差特别是热 误差取决于诸如室温、机床工况(主 轴转速和进给速度等)、切削参数、冷 却液、加工周期等多种因素,而且机 床热误差呈现非线性及交互作用,因此,这种检测和辨识通常需要很长时 间。另外,由于机床上的误差元素众 多,一般的激光测量仪测量,一次调整仅测得一项误差元素,如何高效快速地测量,也是个必须解决的问题。
  (4)五轴数控机床多误差实时补偿问题。目前国内外五轴数控机 床补偿主要局限于几何误差建模及 补偿。而且在理论上讨论的比较 多,真正实际的动态实时补偿的实施和应用的实例还是不多。而随着五轴数控机床的普遍使用,为获得更好 的加工精度或补偿效果,五轴机床的 多误差动态实时补偿及其应用必不可少 。
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