多轴数控加工中心的在机测量方案创成及优化方法


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数字化设计-加工-测量一体化的闭环制造模式,是加工具有高几何精度、高物理性能要求的复杂零件的重要手段[1]。“在机测量(On-machinemeasurement)”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]。由于无须将工件从加工中心搬至测量设备,避免了因工艺基准不重合造成的误差,保证了加工精度,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,是机械测量学科重要科技问题及发展趋势[3]。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加工中心建立在机测量系统。高峰等提出了利用数控成形砂轮磨齿机高精度数控轴实现齿轮精度检测的在机测量方法;陈岳坪[6]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[7]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;王志永等提出了基于展成原理的螺旋锥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、任意结构加工中心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隔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[94'王立成等[11]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,研究了基厂•庄线标定和双线性插值技术的逐点测头半径补偿方法;WOZNIAK等[12]研发了一种测量过程中测头触发力的检测装置;JANKOWSKI M[13]提出了一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,即先检测误差再补偿误差,无法实现对测量误差的主动溯源和规避。更为科学的方法是:首先评价各测量方案的 [1]
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加工中心综合精度的辨识。CHEN等[14]应用在机测量技术对硬质合金非球面构型磨削过程进行了精度补偿;IBARAKI[15_17]应用在机测量技术辨识了五轴数控加工中心的综合精度。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加工中心、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,就是通过加工中心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。由于多轴数控加工中心所拥有的伺服轴数往往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,考虑到数控加工中心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,是亟待解决的问题。目前的测量方案设计方法多是基于经验类比或直觉感官选定伺服运动方案,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加工中心的运动及精度潜能,更不利于在机测量误差的分析、溯源、辨识及补偿。

针对上述问题,本文提出了一种基于加工中心结构并面向测量任务的在机测量运动方案创成方法:首先,建立被测特征与加工中心伺服运动之间的函数关系;而后,求解该方程,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,旨在建立加工中心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。

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结束语:

(|)提出了一种基于加工中心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加工中心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:参与伺服轴最原则,重心偏移最原则及

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,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高的一致性。试验证明,本文方法快速、有效。


 

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