Xây dựng các phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học cho máy công cụ CNC dựa trên nguyên tắc làm việc của BallbarNhằm vào các vấn đề xác định lỗi hình học và mô hình hóa các máy công cụ CNC của máy công cụ giao thoa laser hiện có, quy trình hoạt động phức tạp và hiệu quả mô hình hóa thấp, một phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học dựa trên thanh bi mới của máy công cụ CNC được đề xuất. Sử dụng phương pháp đo quỹ đạo cung ba mặt phẳng và thanh bi để đo sai số, mô hình nhận dạng giữa số đọc trên thanh bi và các sai số hình học tương ứng trong mỗi mặt phẳng của máy công cụ được thiết lập, nhận dạng sai số hình học và sai số toàn diện dự đoán của máy công cụ được thiết lập. Người mẫu. Đồng thời, một giao thoa kế laze được sử dụng để thiết lập một thiết bị thí nghiệm so sánh nhằm đo sai số hình học thực tế của máy công cụ. Dữ liệu lỗi hình học được xác định bởi thanh bi và sai số đo được bằng giao thoa kế laser tương ứng được thay thế vào mô hình dự đoán lỗi toàn diện của máy công cụ để so sánh và xác minh. Từ kết quả so sánh có thể thấy rằng sự khác biệt của mô hình sai số toàn diện của máy công cụ được thiết lập bởi hai phương pháp là 3.0μm, có thể đáp ứng yêu cầu bù lỗi của máy công cụ.

Hệ thống đo lường trên máy của một máy công cụ CNC bao gồm thân máy công cụ và một đầu dò kích hoạt. Đầu dò tạo ra tín hiệu kích hoạt và kích hoạt thiết bị đọc tọa độ ba chiều của máy công cụ để thực hiện các phép đọc để nhận ra phép đo tọa độ ba chiều của điểm được đo. Nếu độ chính xác của hệ thống đo lường không được cải thiện, phép đo được thực hiện trực tiếp bằng sự kết hợp của máy công cụ và đầu dò thì không đáp ứng yêu cầu độ chính xác của hệ thống đo lường phải cao hơn độ chính xác của phần được đo. Vì vậy, phương pháp tách sai số phải được sử dụng để đo các sai số hình học của máy công cụ. Thiết lập mô hình dự báo lỗi toàn diện có độ chính xác cao để bù lỗi đo [1]. Hiện nay, các phương pháp xác định lỗi hình học của máy công cụ CNC chủ yếu sử dụng giao thoa kế laser tần số kép, thanh bi, lưới phẳng và các thiết bị khác [2].

Nhóm thấu kính quang học cần được thay thế cho mọi sai số đo bằng giao thoa kế laser, và đường dẫn quang học không dễ điều chỉnh, hiệu suất thấp và các thành phần quang học đắt tiền [3]. Ballbar có thể phân tách và xác định 21 lỗi hình học bao gồm cả lỗi góc cuộn [4-5] bằng cách đo quỹ đạo cung ba mặt phẳng thông thường, nhưng có một vấn đề về độ chính xác nhận dạng.

Trong những năm gần đây, các học giả trong và ngoài nước đã đề xuất nhiều phương pháp xác định sai số không gian dựa trên bi cầu, chủ yếu là xác định sai số trục quay của máy công cụ [6-9], nhưng các nghiên cứu về xác định sai số trục tuyến tính còn thiếu so sánh kết quả thực nghiệm hoàn chỉnh. và xác minh [10]. Đối với mô hình lỗi toàn diện của máy công cụ, hầu hết chúng sử dụng giao thoa kế laser để đo từng lỗi riêng lẻ, sau đó sử dụng phương pháp vi phân, lý thuyết hệ thống đa cơ thể và các phương pháp khác để thiết lập mô hình dự báo lỗi toàn diện [11-13], nhưng sử dụng bi để đo và xác định sai số hình học Có rất ít nghiên cứu về việc thiết lập mô hình sai số toàn diện của máy công cụ [14].

Để cải thiện độ chính xác của việc xác định lỗi hình học của máy công cụ dựa trên thanh bi và độ chính xác của việc lập mô hình lỗi toàn diện, bài báo này sử dụng phương pháp quỹ đạo ba mặt phẳng của thanh bi để thiết lập mối quan hệ giữa số đọc của thanh bi và sai số hình học trong mỗi mặt phẳng của máy công cụ CNC. Lập mô hình, xác định các giá trị lỗi hình học khác nhau, sau đó sử dụng dữ liệu nhận dạng để thiết lập mô hình dự đoán lỗi toàn diện của máy công cụ và thực hiện các thí nghiệm xác minh so sánh.

1. Phương pháp xác định lỗi hình học cho máy công cụ CNC ballbar

1.1 Các nguồn sai số hình học của máy công cụ CNC

Bài báo này lấy trung tâm gia công đứng XYTZ làm đối tượng nghiên cứu. Như thể hiện trong Hình 1, khi các bộ phận máy công cụ của máy công cụ CNC ba trục di chuyển dọc theo trục Y, có tổng cộng 6 lỗi hình học và tổng số 18 lỗi hình học liên quan đến vị trí được tạo ra bởi ba trục . Có tổng cộng 21 lỗi hình học cho 3 lỗi dọc giữa 3 trục tung trên.

Xây dựng các phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học cho máy công cụ CNC dựa trên nguyên tắc làm việc của Ballbar

1.2, nguyên lý làm việc của ballbar

Trong bài báo này, phương pháp đo quỹ đạo cung ba mặt phẳng và thanh bi được sử dụng để đo sai số [15]. Sơ đồ nguyên lý đo của thanh bi được thể hiện trong hình. Làm cho tọa độ tâm của bi chính xác được hấp phụ trên đế gắn của bàn làm việc là O (0, 0, 0) và tọa độ tâm của bi chính xác được hấp phụ trên thanh đế gắn trục chính là P (x, y, z) , khi bàn làm việc về mặt lý thuyết Trong quá trình nội suy vòng tròn, tọa độ tâm của bi chính xác được hấp phụ trên trục chính trở thành P ′ (x ′, y ′, z ′) do sai số hình học của máy công cụ. Gọi Δx, Δy và Δz lần lượt là hiệu giữa điểm P và điểm P ′. Thành phần của sai số thời gian theo các hướng X, Y và Z.

Do lỗi hình học, chiều dài thực của thanh bi có thể được biểu thị bằng

(R+Δr)2=(x+Δx)2+(y+Δy)2+(z+Δz)2(1)

Trong công thức: Δx, Δy, Δz đều ở mức micrômet, bỏ qua số hạng bậc hai, sự thay đổi chiều dài thực của thanh bi có thể được tính như sau

Δr = 1r (Δx × x + Δy × y + Δz × z) (2)

Trong công thức: Δr là số đọc của thanh bi, tức là sự thay đổi chiều dài của gậy. Công thức này là cơ sở lý thuyết để thanh bi đo các sai số hình học của máy công cụ CNC, từ đó có thể suy ra mô hình tách lỗi của máy công cụ CNC.

Phương pháp đo quỹ đạo cung ba mặt phẳng được thực hiện trên ba mặt phẳng trực giao của máy công cụ CNC. Khi thanh bi phát hiện trên mặt phẳng XY, trục chính của máy công cụ ngừng di chuyển theo hướng Z. Cài đặt ballbar theo chiều ngang. Thanh bi lấy tâm của bi chính xác được hỗ trợ trên giá đỡ bên bàn làm tâm quay và hoàn thành nguồn cấp dữ liệu nội suy cung với bán kính r theo lệnh CNC, theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ, một lần, theo cùng một cách, khi phát hiện trên mặt phẳng YZ và mặt phẳng ZX, các hướng trục chính X và Y ngừng chuyển động. Trong số đó, phép đo cung 360 ° (vượt mức 45 °) được thực hiện trên mặt phẳng XY và phép đo cung 220 ° (vượt mức 2 °) được thực hiện trên mặt phẳng ZX và mặt phẳng YZ tương ứng [16]. Tại thời điểm này, sự thay đổi chiều dài của gậy Δr là sai số toàn diện trong mặt phẳng, sau đó thay thế dữ liệu phát hiện của thanh bi thành mô hình nhận dạng giữa số đọc thanh bi được thiết lập bằng phương pháp xác định lỗi hình học và các sai số hình học tương ứng. trong mỗi mặt phẳng của máy công cụ để đạt được nhận dạng lỗi Hình học.

1.3. Phương pháp xác định lỗi hình học

Ma trận chuyển đổi tọa độ đồng nhất 4 × 4 HTM (Homontic Transformation Matrix) được sử dụng để xác định các thành phần lỗi hình học của máy công cụ CNC.

HTM của trục Y có thể được viết là

Trans (y) = 1000010ym00100001 (3)

Bỏ qua các thuật ngữ bậc cao hơn, HTM của lỗi hình học trục Y có thể được viết là

E(y)=1-εz(y)εy(y)δx(y)εz(y)1-εx(y)δy(y)-εy(y)εx(y)1δz(y)0001(4)

Theo công thức (3) và (4), HTM của hệ tọa độ của giường máy từ R đến trục Y có thể nhận được bao gồm cả sai số hình học

RTT=Trans(y)×E(y)=1-εz(y)εy(y)δx(y)εz(y)1-εx(y)δy(y)+ym-εy(y)εx(y ) 1δz(y)0001(5)

Sử dụng cùng một phương pháp, bạn có thể thiết lập trục Y và trục X, trục X và phôi W, trục Z-trục Z, trục chính S và trục Z, HTM giữa dao T và trục chính S, tương tự, dao T tương ứng với giường máy HTM của R có thể được biểu diễn như sau, và chúng được sử dụng để xây dựng toàn bộ mô hình động học của máy công cụ.

RwT = RYT · YXT · XwT · TW (6)

RTT = RZT · ZST · STT · Tt (7)

Trong đó: vectơ tọa độ vị trí của điểm gia công lý thuyết của phôi TW trong hệ tọa độ phôi, và Tt là vectơ tọa độ vị trí của mũi dao của máy công cụ trong hệ tọa độ dao T.

Theo phương trình (6) và (7), sự khác biệt giữa hai ma trận này là ma trận sai số dịch chuyển tương đối giữa phôi và mũi dao, tức là ma trận sai số hình học của máy công cụ được biểu diễn trong phương trình (8).

WTT = RTT-RWT (8)

Trong quá trình giải, thuật ngữ sai số bậc hai và số hạng bậc cao hơn bị loại bỏ để thu được mô hình lỗi hình học đơn giản của máy công cụ CNC di chuyển dọc theo các trục tọa độ X, Y và Z, được thay thế tương ứng vào phương trình (2 ), và sau đó là một loạt các đơn giản hóa Bằng tính toán, một phương trình với 12 hệ số sẽ thu được. Như thể hiện trong phương trình (9), các hệ số này liên quan đến độ lệch Δr của chiều dài thanh bi.

Δr=1rxdxz(zr)2-z·γx, z+2d·dxz(zr2)-Xw+YW2dyx(xr2)+2dxy(yr2)-ZW2dzx(xr2)+eyy(yr)-x-dxx(xr)- dxy(yr)2+ydyz(zr)2-z·γy, z-2d·dyz(zr2)-XW2dxy(yr2)+2dyx(xr2)-YW+ZWexx(xr)+2dzy(yr2)-2x·dxy (Yr2)-dyx(xr)2+x·γx,yy-dyy(yr)+zz+dzz(zr)+d+XWeyy(yr)+2dzx(xr2)-YW2dzy(yr2)+exx(xr)- ZW+x·eyy(yr)-dzx(xr)2-dzy(yr)2(9)

Trong đó: dxx, dyy, dzz, dyx, dzx, dzy, dxy, dxz, dyz, exx, eyy, ezz là những số chưa biết; γx, z, γy, z, γx, y là ba lỗi theo phương thẳng đứng, được xác định bởi câu lạc bộ Dụng cụ đo; x, y, z, Δr lần lượt là giá trị tọa độ lý thuyết và giá trị sai số xuyên tâm của từng điểm đo; r là bán kính đo. Chỉ những hệ số này được yêu cầu để tính toán các giá trị sai số hình học khác nhau tại các vị trí khác nhau.

2. Mô hình dự báo lỗi toàn diện của máy công cụ CNC

Mô hình sai số toàn diện được thiết lập theo nguyên tắc biến đổi tọa độ đồng nhất [17], coi rằng giá trị sai số góc cuộn ba trục là rất nhỏ và có tác động nhỏ đến sai số tổng thể của hệ thống đo trên máy công cụ CNC, vì vậy ảnh hưởng của sai số góc cuộn được bỏ qua. Sau đó, mô hình có thể được đơn giản hóa thành

Δx = -δx (x) -δx (y) + δx (z) -yεz (x) -zεy (x) -zγx, z + yγx, yΔy = -δy (x) -δy (y) + δy (z ) + zεx (y) -zγy, zΔz = -δz (x) -δz (y) + δz (z) (10)

Trong đó: δx (x) là sai số định vị của trục X, δy (x), δz (x) là sai số độ thẳng của các phương Y và Z khi trục X chuyển động, εz (x), εy (x) lần lượt là trục X. Sai số góc hàm và góc nghiêng; γx, y, γy, z, γx, z lần lượt là sai số vuông góc giữa trục X và trục Y, giữa trục Y và trục Z và giữa trục X và trục Z .

Thiết lập mô hình dự báo lỗi toàn diện cho máy công cụ CNC theo công thức (10)

E (x, y, z) = Δx2 + Δy2 + Δz2 (11)

3. Thử nghiệm xác minh so sánh

Lấy trung tâm gia công đứng ba trục Shenyang Machine Tool VMC850E làm đối tượng thu thập dữ liệu, thanh bi QW20 của Renishaw và giao thoa kế laser XL-80 được sử dụng để đo cùng một máy công cụ. Hành trình ba trục XYZ của máy công cụ lần lượt là 800mm, 500mm và 540mm. Thanh bi và giao thoa kế laser được sử dụng trong thí nghiệm có độ phân giải lần lượt là 0.1μm và 1nm. Thành phần của thiết bị thí nghiệm được thể hiện trong hình.

Xây dựng các phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học cho máy công cụ CNC dựa trên nguyên tắc làm việc của Ballbar

3.1. Thiết kế kế hoạch thử nghiệm

Độ phân giải của thanh bi QW20 là 0.1μm và chiều dài của thanh là 100mm, tức là không gian đo là 200mm × 200mm × 200mm. Phương pháp quỹ đạo cung ba mặt phẳng của thanh bi được sử dụng để đo máy công cụ trong mặt phẳng XY, mặt phẳng YZ và mặt phẳng ZX. Sai số hình học kết hợp. Lắp thanh bi QW20 trên bàn làm việc và đo ở trạng thái không tải của máy công cụ, sao cho trục chính của máy công cụ sẽ thực hiện chuyển động nội suy với bán kính 100mm trên mỗi mặt phẳng với tốc độ 480mm / phút, theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Mỗi lần đo 1 lần, tổng cộng 3 phép đo cho mỗi mặt phẳng và giá trị trung bình được sử dụng làm giá trị cuối cùng được thanh bi phát hiện để giảm sai số ngẫu nhiên.

Lấy từng lỗi hình học đơn lẻ của máy công cụ làm ví dụ để xác minh mô hình. Giao thoa kế laser được sử dụng để phát hiện từng lỗi đơn lẻ tại cùng một vị trí phát hiện của thanh bi. Dữ liệu được thu thập một lần với khoảng cách 5mm và mỗi điểm đo được đo ba lần theo một hướng. Hình 4 (b) cho thấy sơ đồ kiểm tra tại chỗ của giao thoa kế laze.

3.2. Xác định lỗi hình học và xác minh hiệu ứng mô hình hóa

Để xác minh tính đúng đắn của các kết quả xác định sai số hình học trên, lấy sai số định vị trục X của máy công cụ và sai số độ thẳng hướng trục X của trục Z làm ví dụ, sai số hình học thực tế của máy công cụ sẽ được đo bằng dữ liệu lỗi hình học được xác định bởi thanh bi và giao thoa kế laze Để so sánh, hai đường cong trong hình biểu thị giá trị sai số được tính bằng kết quả nhận dạng của phương pháp này và hai tập hợp các điểm rời rạc thể hiện giá trị trung bình của phép đo giao thoa kế laze giá trị. Giao thoa kế laser đo sai số hình học của từng trục vít me bi trục tuyến tính và độ chính xác của phép đo cao. Do các khuyết tật của máy công cụ, sai số định vị X được đo bằng giao thoa kế laze không liên tục, và có những bước nhảy và sụt giảm lớn, trong khi thanh bi nhận dạng được, phương pháp không thể dự đoán được các khuyết tật của bản thân máy công cụ, và nó cho thấy một đường cong mượt mà. Do đó, kết quả thu được bởi giao thoa kế laser trong hình dao động nhiều hơn so với kết quả thu được bằng phương pháp nhận dạng thanh bi.

Giá trị lỗi hình học được xác định bởi ballbar về cơ bản giống với giá trị lỗi hình học tương ứng được phát hiện bởi giao thoa kế laser. Ngoại trừ sai số gộp, độ lệch giữa cả hai là dưới 2.7μm và độ lệch trung bình chỉ là 1.5μm. Điều này xác minh tính đúng đắn của việc xác định lỗi hình học của máy công cụ CNC.

Để xác minh thêm tác dụng của việc xác định lỗi hình học của máy công cụ CNC, dữ liệu lỗi hình học được xác định bởi thanh bi và sai số đo bằng giao thoa kế laze được thay thế vào mô hình dự báo lỗi toàn diện của máy công cụ để so sánh và xác minh . Thay hai dữ liệu tương ứng vào phương trình (11) để có được giá trị dự đoán lỗi toàn diện E (x, y, z) của các máy công cụ CNC tương ứng. Để thuận tiện cho việc quan sát, lấy tọa độ không gian của điểm trên đường chéo của dải không gian đo làm dữ liệu dự đoán 200mm × 200mm × 200mm (X, y, z), trong đó x = y = z = i, 0≤i≤ 200, đồng thời, loại trừ phần dữ liệu ngoại trừ lỗi tổng gây ra bởi các khuyết tật của máy công cụ trên đường chéo, và lỗi dự đoán. So sánh kết quả được thể hiện trong Hình 6.

Xu hướng thay đổi của hai kết quả dự đoán về cơ bản là giống nhau, độ lệch giữa hai kết quả là dưới 3.0μm và độ lệch trung bình chỉ 1.5μm, điều này xác minh tính đúng đắn của phương pháp xác định lỗi hình học và mô hình hóa của máy công cụ CNC.

Kết luận 4

  • (1) Đối với máy công cụ điều khiển số sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất để phân tích mô hình sai số hình học liên quan đến vị trí, phương trình nhận dạng giữa hệ số sai số cần xác định và giá trị sai số xuyên tâm đo bởi thanh bi được thiết lập. Việc xác định lỗi hình học và mô hình hóa của máy công cụ CNC dựa trên ballbar được thực hiện.
  • (2) Các lỗi hình học được xác định bởi thanh bi được thay thế vào mô hình dự đoán lỗi toàn diện được thiết lập và so sánh với kết quả của mô hình sai số toàn diện của giao thoa kế laser. Kết quả cho thấy rằng phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học của máy công cụ CNC có độ chính xác cao, sai số nhận dạng tối đa là 3.0μm và chi phí thấp, không tốn thời gian và dễ vận hành.

Liên kết đến bài viết này : Xây dựng các phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học cho máy công cụ CNC dựa trên nguyên tắc làm việc của Ballbar

Tuyên bố Tái bản: Nếu không có hướng dẫn đặc biệt, tất cả các bài viết trên trang web này là bản gốc. Vui lòng ghi rõ nguồn để tái bản: https: //www.cncmachiningptj.com/,thanks!


Xây dựng các phương pháp xác định và mô hình hóa lỗi hình học cho máy công cụ CNC dựa trên nguyên tắc làm việc của BallbarPTJ® cung cấp đầy đủ các Độ chính xác tùy chỉnh máy gia công cnc trung quốc Chứng nhận ISO 9001: 2015 & AS-9100. Độ chính xác nhanh 3, 4 và 5 trục Cơ khí CNC dịch vụ bao gồm xay xát, tấm kim loại theo thông số kỹ thuật của khách hàng, Có khả năng gia công các bộ phận bằng kim loại và nhựa với dung sai +/- 0.005 mm. cắt laser, khoan,đúc chết, kim loại tấm và dậpCung cấp nguyên mẫu, chạy sản xuất đầy đủ, hỗ trợ kỹ thuật và kiểm tra đầy đủ. ô tôhàng không vũ trụ, khuôn và vật cố định, ánh sáng dẫn,y khoa, xe đạp và người tiêu dùng thiết bị điện tử các ngành nghề. Giao hàng đúng hẹn. Hãy cho chúng tôi biết một chút về ngân sách dự án của bạn và thời gian giao hàng dự kiến. Chúng tôi sẽ cùng bạn lập chiến lược để cung cấp các dịch vụ hiệu quả nhất về chi phí nhằm giúp bạn đạt được mục tiêu của mình, Chào mừng bạn đến với Liên hệ với chúng tôi ( [email được bảo vệ] ) trực tiếp cho dự án mới của bạn.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *