STUDY ON THE FEEDFORWARD COMPENSATION OF THE MOTIONERRORS OF NC MACHINE TOOLS

A feedforward compensation naethod of the motion errors of NC machine tools imple- mented with software is proposed , with which the motion errors can be compensated whithout changing the original computer control systems of the NC machine tools. The experimental results show that the circular interpolation profile machining errors decrease by a factor of 2/3 after com- pensated.

Precision Design for Machine Tool Based on Error Prediction

Digitization precision analysis is an important tool to ensure the design precision of machine tool currently. The correlative research about precision modeling and analysis mainly focuses on the geometry precision and motion precision of machine tool, and the forming motion precision of workpiece surface. For the machine tool with complex forming motion, there is not accurate corresponding relationship between the existing criterion on precision design and the machining precision of workpiece. Therefore, a design scheme on machine tool precision based on error prediction is proposed, which is divided into two-stage digitization precision analysis crucially. The first stage aims at the technology system to complete the precision distribution and inspection from the workpiece to various component parts of technology system and achieve the total output precision of machine tool under the specified machining precision; the second stage aims at the machine tool system to complete the precision distribution and inspection from the output precision of machine tool to the machine tool components. This article serves YK3610 gear hobber as the example to describe the error model of two systems and basic application method, and the practical cutting precision of this machine tool achieves to 5-4-4 grade. The proposed method can provide reliable guidance to the precision design of machine tool with complex forming motion.

MOTION ERROR ESTIMATION OF 5-AXIS MACHINING CENTER USING DBB METHOD

In order to estimate the motion errors of 5-axis machine center, the double ball bar （DBB） method is adopted to realize the diagnosis procedure. The motion error sources of rotary axes in 5-axis machining center comprise of the alignment error of rotary axes and the angular error due to various factors, e.g. the inclination of rotary axes. From sensitive viewpoints, each motion error is possible to have a particular sensitive direction in which deviation of DBB error trace arises from only some specific error sources. The model of the DBB error trace is established according to the spatial geometry theory. Accordingly, the sensitive direction of each motion error source is made clear through numerical simulation, which is used as the reference patterns for rotational error estimation. The estimation method is proposed to easily estimate the motion error sources of rotary axes in quantitative manner. To verify the proposed DBB method for rotational error estimation, the experimental tests are carried out on a 5-axis machining center M-400 （MORISEIKI）. The effect of the mismatch of the DBB is also studied to guarantee the estimation accuracy. From the experimental data, it is noted that the proposed estimation method for 5-axis machining center is feasible and effective.

高速铣削-激光切割机床数控加工高精度控制技术

激光切割机铣削过程中会因工件变形导致表面出现凹凸不平或波浪状,表面局部区域高低不等,致使机床的浮动轴偏离实际运动轨迹,影响工件铣削加工的质量。为此,提出一种高速铣削-激光切割机床数控加工高精度控制技术。采用运动学理论、矩阵转换函数建立激光切割机床运动数学模型,利用PLC控制器、伺服驱动器及电机等搭建激光切割机床高速铣削加工控制模型,使用负反馈控制算法、位移误差函数控制机床铣削加工浮动轴运动,即当浮动轴执行上浮或者下浮运动时,若浮动轴运动轨迹偏离预设轨迹,调节PLC控制器参数来驱动电机控制作业,使其反向运动,直到落在预设轨迹上,实现铣削加工的高精度控制。实验结果表明,所提技术工件的铣削加工质量高,高速铣削过程中上浮点、下浮点控制误差最大值分别为6 mm、6 mm,铣削加工控制的响应时间为6.8 ms。

基于正余弦函数设计位移运动算法的研究与实现

为实现机床加工运动过程中算法规划能输出连续的运动指令,提高位置控制精度,文章基于正余弦函数值周期连续变化的特性,设计出位移运动指令随时间连续变化的算法模型并进行公式推导。结合Matlab对算法的规划细节进行仿真分析,得到算法规划的控制指令平稳且连续,证明了算法模型建立与公式推导过程的正确性。选择机床加工PCB覆铜板运动过程为试验研究对象,使用激光干涉仪对机床加工实际位移距离进行测量,测得采用所设计的位移运动算法进行运动过程规划,位置控制精度能达到1.788μm,验证了位移运动算法的正确性。

五轴数控机床旋转轴综合误差测量与辨识

针对五轴数控机床旋转轴的运动误差和几何误差的综合评估问题,在不考虑直线轴运动误差影响的情况下,提出了一种采用R-test测量仪的测量及其辨识方法。首先,测量过程按照参考球的两种不同高度设置进行,仅移动旋转轴,而不移动直线轴。其次,利用R-test测量仪对旋转轴的运动精度进行了测量。此外,假设旋转轴位置几何误差和工作台上参考球的设置误差是影响测量结果的因素,并通过最小二乘法对这些因素进行分离。采用IBS公司的R-test测量仪,对米克朗公司UCP800Duro立式五轴加工中心C轴的运动误差和几何误差进行了测量实验。研究结果表明,该方法能够正确识别旋转轴的运动误差和几何误差,可以有效地综合评估旋转轴的运动精度,并有助于进一步提高旋转工作台的精度。

液体静压运动副的四轴联动精密加工机床结构设计

大口径平面、球面、非球面光学元件广泛应用于光刻机、高能激光器、高分相机等高端装备的光学系统中,尺寸大于400 mm×400 mm、表面轮廓精度均方根值(root mean square,RMS)优于1μm等技术指标是大口径光学元件在磨削加工阶段的目标精度要求。磨削工艺主要面临如何实现高平滑的表面轮廓加工以及控制亚表面损伤层深度等问题。根据已有的实验研究,磨削机床采用高精度的液体静压运动副,可以有效地提高光学元件抛光后表面轮廓的平滑程度以及降低亚表面损伤层的厚度。具备上述特性的高性能磨削机床国外对中国禁运,而国内尚无成熟的商品。因此,文章研制了一种采用液体静压运动副的四轴联动精密加工机床,分析了机床的主要构型,进行了机床主要运动部件的精度分配,完成了基于液体静压运动副的X/Y/Z/C四轴的设计方案,最后进行了光学元件磨削加工工艺实验,实现了380 mm×541 mm口径微晶玻璃磨削面形精度±0.471μm(RMS值)、表面粗糙度Ra0.3μm的加工目标。

Laser Surface Textured PTFE Inhibitation for Stick-Slip Phenomenon Under Boundary Lubrication

When the machine tool is in the start-and stop-stages,the stick-slip phenomenon will be observed and highprecision positioning,machining accuracy and fretting feed will not be guaranteed. The most critical reason is that there is the difference between the dynamic and the static friction coefficients. Textures with different area ratios are fabricated on the surfaces of the upper PTFE-based composite and the friction tests are carried out on a reciprocating tribotester under the boundary lubrication and flat-on-flat contact conditions. The results show that there exists an optimal textured area ratio of 19.6% that can minimize the difference between the dynamic and the static friction coefficients.

面向五轴数控加工仿真的机床运动位姿算法研究

数控加工仿真是制造业发展过程中数字化与智能化的集中体现,然而现有研究在机床运动位姿计算精度上还存在不足,如未考虑数控系统指令模式、加减速控制以及机床几何误差等约束条件。针对上述问题,本文对五轴机床仿真运动算法进行研究,首先对五轴数控机床拓扑结构、模型和坐标系进行了完整定义,在此基础上探索了基于数控系统指令模式的刀具轨迹仿真密化以及相应的时间标记计算方法,并结合五轴数控机床几何误差模型,得到了更符合实际几何状态的机床模型运动位姿。通过对仿真机床实例的拓扑结构建模、刀位轨迹仿真密化以及机床模型位姿计算,对所提出的机床运动位姿算法进行了验证,证明该算法的可行性和有效性。

航天异形紧固件加工多工位机床的控制系统设计

针对航空航天领域某异形紧固件内孔生产工序分散、加工效率和加工精度低、加工成品一致性差,设计开发出以ZMC406运动控制器为控制核心的多工位专用机床。该机床由机械结构、气动系统和电气控制系统组成。文章主要阐述了控制系统的总体要求、各个控制系统模块、控制系统的软硬件设计。通过工控一体机触摸屏以EtherCAT为通讯协议对机床加工动作的控制和加工参数的设置,实现了异形紧固件内孔的集中化、自动化加工。机床实际加工试制结果表明机床生产节拍为8pcs/min,合格率在99%以上,提高了该异形紧固件的加工精度和效率,产品一致性较好,在航天异形紧固件生产制造领域具有一定应用推广价值。

基于PID控制的多轴联动数控机床运动误差补偿

为了降低多轴数控机床在运动过程中产生的误差,提高数控机床的控制精度,提出多轴联动的数控机床运动误差补偿方法。构建多轴联动数控机床在工作状态下的运动轨迹方程,在机床运动轨迹方程的基础上计算多轴联动数控机床的运动误差。采用粒子群优化算法优化PID控制器中的关键参数,将上述计算得到的运动误差输入优化后的PID控制器中,完成多轴联动数控机床运动误差的补偿。实验结果表明,所提方法可高精度地完成椭圆控制和螺旋旋转体控制,且运动误差补偿结果不受多轴联动数控机床运动速度的影响,具有良好的适应性。

超精密机床热形变及其对运动精度的影响研究

超大口径超精密机床研制是大口径光学元件加工的必要基础,超大口径超精密机床在大行程、长工作周期的加工过程中,由于导轨发热引起的机床热形变将严重影响运动部件的直线度与光学元件的加工精度。利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,对所设计的龙门式大口径磨削机床、5轴柔性气囊抛光机床进行了热形变分析,得到了导轨生热对机床整体热形变的影响规律。针对现有的磨削、抛光机床进行温度-直线度监测实验,探究了热形变对磨削机床所用液体静压导轨与抛光机床所用直线导轨运动直线度的影响规律,实际测量结果表明机床液体静压导轨的油膜生热对导轨运动直线度有较大影响。

五轴并联机床刀具末端运动位姿自适应控制技术

高精尖领域对精密小零件的加工精度要求越来越高,五轴并联机床作为主要机械加工设备,严格控制机床刀具的运动位姿对于保证成品零件的加工精度具有极其重要的作用。在此背景下,研究一种五轴并联机床刀具末端运动位姿自适应控制技术。在五轴并联机床前方布置两个CCD摄像头作为视觉系统,拍摄关于刀具末端的左右两张图像;在图像预处理、特征点提取与匹配等环节的基础上,求解位姿参数,包括位置三维坐标以及3个姿态数据。以刀具末端运动实际位姿为输入,利用神经网络获取与刀具末端紧密相连的五轴关节角度补偿量。利用PID控制器,通过补偿量计算位姿控制量不断纠正位姿误差,靠近理想位姿。结果表明:应用所提控制方法,与理想位姿之间的平均误差均更小,且平均误差的波动最小,三维位置坐标波动仅在-0.02~0.015、-0.01~0.02、-0.02~0.02 mm之间;横滚角、俯仰角以及方位角波动仅在-0.02°~0.03°、-0.01°~0.04°、-0.02°~0.01°之间,由此说明所提控制方法的精度更高,控制稳定性更高。

一种新型五自由度雕刻机床的工作空间分析

针对传统三自由度串联雕刻机床难以加工空间复杂曲面的问题,文中给出了一种空间新型五自由度串并联雕刻机床的设计方案。在SolidWorks中建立该雕刻机床的三维模型,采用空间几何法建立了位置反解和参数解耦的数学模型,并在MATLAB中利用蒙特卡洛法生成了工作空间。通过对其工作空间分析可知,该雕刻机床的工作空间较大,在一定程度上可以满足对零件空间复杂曲面的加工需求。在此基础上,通过对该雕刻机床工作空间的分析发现,增大该新型雕刻机床工作空间较合适的方法是增加串联滑轨长度。

多轴加工系统闭链刚度场建模与刚度性能分析

在复杂曲面多轴加工中,刀具可以在一定范围内以不同姿态加工复杂曲面,刀具姿态的改变直接影响整体加工系统的综合刚度特性,从而影响到加工性能。建立与刀具位姿相关的综合刚度场模型,可用于分析整体加工系统的综合刚性分布规律。提出多轴加工系统刚度场半解析计算方法,其中针对机床运动轴及其传动部位、刀具、工件等关键部件的力学特性分别采用了雅可比矩阵法、点传递矩阵法、有限元法等方法建立相应的刚度矩阵,并根据多体小变形理论建立了多轴加工工艺系统闭链刚度场模型。根据该模型解耦得到三维空间的力椭球,从力椭球提取整体加工系统的刚度性能指标,绘制刚度性能等值线图,分析工作空间中多轴加工系统的刚度特性分布规律,可用于指导刀具运动规划。

高速加工机床及其关键技术

介绍了高速加工机床的发展现状。对高速机床的几个主要关键技术—高速主轴单元、高速主轴支撑轴承、直线电机进给驱动系统、高速机床控制系统以及高速加工刀具进行了讨论。

五轴加工奇异区域内的刀具路径优化

针对五轴加工在奇异区域内由于旋转轴运动的剧烈变化导致非线性误差过大并对工件、刀具和机床部件造成损害等问题,给出一种奇异区域内加工路径的优化方法。以AC双转台五轴联动数控机床为研究对象,在反向运动学变化中根据正弦、余弦三角函数的周期性对C轴转角进行初次优化;按照加工是否通过奇异点两种情况,采用设定奇异点处的C角值或者修改奇异点附近的刀轴方向两种方法,进一步降低C轴过大转角;以当前加工区间的非线性误差是否超过允许值为判断条件,对仍然不满足精度要求的区间进行递归插值处理。仿真试验和实际加工结果表明,与单纯采用线性插值方法相比,该方法在提高奇异区域内加工精度的同时,有效减少新插入点的数量,从而尽量降低加工速度的损失。

数控机床圆轨迹运动误差测试仪器和方法的研究

介绍一种新的可用于数控机床圆轨迹运动误差测试的二维球杆仪。该二维球杆仪包括一根两端与精密小球相连的测量杆和一台高精度的旋转编码器,测量杆内置有可用于测量位移的高精度传感器,旋转编码器用来精确测量杆的转动角度。分析了测量仪器的误差,并进行了校正。试验表明,该仪器不仅可测量出机床圆周运动轨迹精度,用于机床的精度评价,还可以测出机床圆周运动任意指令位置的定位误差值,为进一步用于对圆轨迹的误差补偿打下基础。

五轴数控机床转动轴与平动轴联动的轮廓误差仿真分析

以主轴头两摆的五轴联动数控机床为研究对象,对转动轴与平动轴联动加工不同空间位置圆弧时的轮廓误差进行了分析。采用D-H(Denavit-Hartenberg)法对按不同圆弧路径加工时各轴的进给指令计算公式进行了推导,并将指令输入到动态仿真工具Simulink构建的进给系统仿真模型中,比较刀具理想位置与实际位置的偏差,从而得到轮廓误差曲线。通过仿真曲线分析了轮廓误差的分布特性,得到了各参数对轮廓误差影响的对应关系,利用这种关系检测机床,达到提高机床性能的目的,同时为机床的调整与维修提供一种便捷手段。

机床低速爬行研究现状及分析

随着科学技术的发展,对零件的精度和表面光洁度要求越来越高,这就要求加工这些零件的工作母机——机床具有更高的精度。机床低速爬行问题是提高机床加工精度的重要研究课题之一,是国民经济、科学研究及国防建设的重要课题。综述了机床低速爬行研究现状,提出了关于该研究的几点看法,以期有利于促进今后的研究。