龍門五軸加工中心幾何誤差補償軟件開發


五軸數控加工中心因位姿調節能力強切削效率高件安裝時間短等優點逐漸成爲複雜工件加工的主要設由于複雜的機械結構和控制系統五軸數控加工中心空間定位精度相比于三軸數控加工中心更難得到保證零件加工過程中尺寸超差時有發生1特別是大型 龙门五軸數控加工中心其加工行程長龍門跨度大運動 單元重空間定位精度易超差周期性误差補償必不可 少爲應對這一問題衆多加工中心誤差建模和辨識方法 被相繼提出五軸數控加工中心加工精度的改善成为当下 研究熱點2幾何誤差是影響加工中心加工精度的主要素之一3包括定位誤差直線度誤差顛擺偏擺滾擺誤差及垂直度誤差04  專項支持下笔者近几年系统性地开展了龙门五軸數控加工中心幾何誤差檢測識和補償方法研究針對平動軸提出了十三線幾何誤差辨識方法4利用長方體空間的 9 條棱3 條面 對角線和 1 条体對角线定位误差可有效計算出平动轴各項幾何誤差5;針對 AC 擺動軸提出了基于偏置球心  - test 的幾何誤差辨識方法6通過變更  -test   偏置參數獲得關于檢測球頭的多組空間位置誤結合誤差模型求解超靜定方程組可辨識轉動軸各項幾何誤差 


在获得幾何誤差值的基础上使用數控系統誤差補償列表對加工中心誤差進行修正是減小加工中心空間定位誤差的最有效方法之一8許多知名數控系統廠家均在其推出的數控系統中支持這種補償方法如  Fanuc30i Siemens 840D 誤差補償系統采用激光幹涉儀作爲檢測设備在加工中心工作空間內采集測量數據然後生成数控系统的误差補償文件可实现加工中心幾何誤差的補償9雖然激光幹涉儀的檢測值可以直接用于定位误差補償但實際測量過程中直接檢測是無法准確获得平动轴的全部幾何誤差項的( 如直接測量的定位誤差實際上是軸間垂直度誤差角度誤差與實際定位誤差的疊加)。开展加工中心幾何誤差建模通過辨識算法求解进给轴全項幾何誤差更有利于分離幹擾誤差实现加工中心幾何誤差的准确補償筆者經多年研究在龙门五軸數控加工中心幾何誤差建模檢測辨識和補償方面取得了一些研究成果1 71011已經實現根據所 提出的辨識算法获取加工中心的各項幾何誤差然後通過数控系统误差補償列表進行误差補償然而目前誤差補償还只能以手工录入補償数據的方法来完成大限制了補償效率以及研究成果的普及

加工中心空间误差補償技术属于商业机密國外研究機構簣D庸ぶ行膹S商鮮有文章介紹相關軟件的開發而國内基于数控系统的空间误差補償软件尚有待开发然國外已有成熟的 VCS( volumetric error compensationsystem) 软件及配套设備但其采購和維護費高昂全面采用进口仪器和软件来完成加工中心的幾何誤差補雖然能够解决一时之急但長期持續成本過大而且

易受國外技術牽制同時還制約了我國自主知識産權 误差補償技术的研发因此研制一款具有檢測数據 導入誤差自動辨識補償文件自动生成和識別功能的 幾何誤差補償软件對于加工中心幾何誤差補償方法的应 用推廣具有極爲重要的工程意義本文基于筆者所提出的平动轴与擺動軸误差辨識算法46開發了一種 Siemens 840D 数控系统的幾何誤差補償软件通過導入激光干涉仪和 R -  test 的 误 差 检 测 数據4 710 11能够自动辨識加工中心的各項幾何誤差並將辨識結果以 Siemens 840D 系统識別的補償格式输出从而通過数控系统装载補償文件实现了幾何誤差自动 補本文首先闡述了軟件的設計思路及開發環境後介绍了软件內部集成的辨識算法及配套檢測策 略在此基礎上介紹了軟件的主要界面及操作流程後通過切削 S 試件验证了误差補償软件的應用效果

1   軟件設計


功能需求软件架构和開發環境是軟件設計的三要素根據現場應用需求調研立足于簡潔實用的原本章將從功能需求分析基本架構設計和開發環境

3 个方面介绍该误差補償软件的总体设計思路

1.  1     功能分析

软件开发的主要目的在于实现测量数據導入償数據計算補償文件生成这 3 個主要功能在此基礎上補充一些便于操作的辅助功能通過對数控厂應用需求的调研该幾何誤差補償软件需要实现的主要功能如下:

(1) 賬號密碼登陸;( 2 ) 加工中心及軸種類選擇;( 3 ) 测量数據導入和删除;(4) 測量數據圖表展示;(5) 算参数導入;(6) 補償数據計算;(7) 計算結果圖表展;(8) 補償系数導入;(9) 補償文件生成

1. 2     基本結構

基于功能需求和使用便捷性規劃軟件結構及操作流程如圖 1 所示首先通過账号和密码进入误差補償软件根據需求選擇不同類型的加工中心( 目前只有龍门五軸數控加工中心其他爲留用接口) 。進入加工中心類型根據需要選擇平動軸或轉動軸進行誤差辨識並創立相應工程文件在所創建的工程文件裏進行的主要操作包括:测量数據導入( 测量数據是在给定檢測策略下獲得57) 、數據查看數據刪除( 修改) 以及檢測參數輸入完成数據導入和辨識条件配置後即可進行幾何誤差辨識計算以及結果的展示此外可以根據工程需要通過補償系数對補償数據進行修正最終由软件生成西门子数控系统識別的補償文件

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1.  3     開發環境

本軟件以 Windows 平台爲基礎選擇了 Qt12作爲開發框架Qt Creator 作爲開發環境使用 C +  + 進行程序語言編寫選擇 C + + 作爲编程语言能实现對数據和合法操作的封裝有利于在数值分析复杂的数據計算中保持各組數據間不會出現相互幹擾對于 32 位簡化系統工控機運行環境C +  + 具有更好的兼容性Qt 

1991 年由奇趣科技開發的跨平台 C + + 圖形用戶界面應用程序開發框架其良好的封裝性和高模塊化程度使得其各個元件之間的協同工作變得十分簡單對于开发需要進行窗口模块间反复传值调用的工业软件而言有著巨大的優勢同時大量已經開發成型的模塊可以被直接用于軟件編寫( 如本軟件中繪圖部分采用的qwt13 15即爲基于 LGPL 版权协议的开源項目可生成各种统計圖),從而能大大加快程序的開發速度Qt

Creator16是與Qt 配套的集成開發環境能夠幫助 Qt 戶快速地入門开发和运行項目內部集成的 Qt   Desig-

ner 能够方便开发人员對软件窗口進行可视化布局时其對Qt 核心的信號槽機制也有配套的圖示調節器

2      核心算法

龙门五軸數控加工中心幾何誤差補償软件包括平動 轴幾何誤差辨識補償模块和擺動軸幾何誤差辨識償模块两个重要部分由于两种进给轴的拓扑类型不 同所采用的檢測策略和辨識方法都有所差异幾何 误差檢測方法和辨識算法是本软件算法的核心所在本文將分別對平动轴和擺動軸的测量方法和辨識算法 進行简要说明

2.  1     平动轴幾何誤差辨識

平动轴幾何誤差辨識以激光干涉仪为檢測工具通過辅助工装將反射镜与加工中心主轴固连如圖 2 爲輔助工裝三維圖雙箭頭 L1 L13 表示檢測轨迹對应轨迹上安裝有激光幹涉儀反射鏡辅助工装通過圆轴安装在加工中心主軸上10根據檢測策略5編寫數控代碼驅動機 床運動使反射镜沿檢測轨迹移动通過激光干涉仪檢測給定軌迹上的定位誤差10測量所得定位誤差以 rtl 後缀文件形式保存如圖 3 所示爲激光干涉仪檢測文件的格式本软件將對激光干涉仪檢測文件進行自动識將测量值取至数组中用于進行後续計算

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平动轴幾何誤差檢測所测得定位误差实质上是加工中心各項幾何誤差综合作用的結果为从定位误差檢測結果中辨識出各項幾何誤差軟件采用筆者所提出的十三線辨識方法4( 檢測轨迹如圖 4 所示) ,以長方體空間的 9 條棱3 條面對角线与 1 条体對角线的各检測點上定位誤差爲數據源通過 XYZ 轴運動矩阵和误差传递矩阵构建刀具幾何誤差模型在给定檢測轨迹下得到幾何誤差辨識方程并通過逐步分离和最小二乘法解算各項幾何誤差5

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2.  2     轉动轴幾何誤差辨識

擺動軸幾何誤差辨識以R - test 作爲檢測工具过辅助工装將带有偏置的球形檢測头安装于加工中心主轴11基于數控加工中心 RTCP 運動功能通過 3 個非接触式位移传感器檢測在不同摆角时球头相對于空间理想位置的三維誤差2如圖 4 所示爲 R - test 檢測示意圖66 所示爲  test 檢測所得数據的格式C 擺動軸误差檢測时A 擺動軸靜止通過辅助工装3 次改变球头相對于加工中心主轴的偏置參數( 6 所示的水平偏置 H 和豎直參數 L) ,進行 RTCP 運動檢測得3 組數據7將檢測数據和 A 擺動軸幾何誤差模6結合建立 A 擺動軸幾何誤差辨識模型利用最小二乘法求解超靜方程組得到 A 擺動軸各項幾何誤7A 擺動軸幾何誤差檢測时C 擺動軸保持靜止然後以類似的方式改变偏置參數進行 3 RTCP 運動误差檢測最終將 A 轴的误差檢測数據和幾何誤差模型结合即可辨識出 A 軸在各個擺角下的幾何誤差

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2      操作流程及界面說明

根據前 2 章所介紹的程序架構和辨識算法即可應用 C 語言在 QT 框架下编写補償软件的人機交互界面本章將對软件的误差辨識操作流程和主要界面進行介绍

2.  1     軟件主界面

7 所示爲软件登陆界面輸入用戶名和密碼點击登陆按鈕即可進入軟件主界面對于不同种类的数控加工中心以及不同拓扑结构的进给轴误差檢測策略和辨識方法存在很大差異數據處理方法和輸出格式也有所不同本文主要介绍龙门五軸數控加工中心平动轴和擺動軸幾何誤差辨識与補償其他类袌D庸ぶ行目稍卺崞研究工作完成後作爲扩展目标添加到该软件8 示为龙门五軸數控加工中心进给轴選擇界面可以根據辨識需求進入相應界面

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3. 2     平动轴檢測数據導入与误差辨識

點擊圖 8 中平動軸辨識按鈕進入平動軸誤差辨識主界面如圖 9 所示點擊界面左上角文件按鈕選擇新建文件或者打开文件後可新建辨識工程或打 开已有辨識工程進行操作平动轴幾何誤差辨識程 序是基于 13 線法開發的點擊導入平动文件按鈕可將 13 组测量数據分別導入辨識程序導入界面如10 所示已經導入的数據会在對应线号旁以绿钩形式提示點擊线号按鈕可查看已經導入的各组数 數據查看界面如圖 11 所示如果有存在疑問的数據可以删除後重新導入或對局部数據進行修正完成檢測数據導入後點擊導入平动测量间距鈕輸入測量工裝的參數( 12 ) ,即可爲誤差辨識提供計算参数

在测量数據和测量参数都導入之後點擊主界面

( 9) 综合数據檢測按鈕即可在新的窗口中查看誤差辨識結果如圖 13 为幾何誤差辨識結果顯示界输入查询點号後點擊数據查询按鈕窗體下方即顯示 XYZ 三轴上相应點的各項误差值點擊結果输出按鈕可在新的窗口中對误差補償输出值進行定義和修正根據实际误差檢測情况定义檢測零點在机

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床坐標系下的坐標值从而确定補償列表生成的起始在補償修正系数窗口更改各項補償值的修正倍率( 初始爲 1) ,有助于实现迭代補償提升補償效果補償修正系数和檢測坐标确定之後點擊保存並繪 按鈕即可將補償数據以圖形展示( 如圖 14 所示)。

點擊輸出至文件按鈕補償文件会自动生成至初始 創建工程的文件夾中该補償文件形式如圖 15 所示可以直接導入数控系统实现平动轴幾何誤差自动 補償

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3. 3     擺動軸檢測数據導入与误差辨識

在进给轴選擇界面( 8 所示) 選擇轉動軸辨进入轉動軸辨識程序點擊界面左上角文件按


選擇新建文件或者打开文件後即可在打开工程中進行後续操作基于轉动轴幾何誤差檢測策略7动轴误差辨識主界面( 如圖 16 所示) 的引導下分別AC 擺動軸所對应的 3 組數據導入软件已經導入的数據会在下方以绿钩加以提示可點擊相应按 查看已經導入的各組數據( 如圖 17 所示) ,如果有存在疑问的数據可以删除後重新導入或對局部数據进 行修正接著可以在計算参数導入下輸入工裝的 偏置參數具体输入形式与圖 12 所示平動測量參數導類似A 擺動軸和 C 擺動軸的辨識算法互相独立故點擊左侧的A / C 擺動軸误差分析可以分別获得其误差辨識結果計算完成後右側計算完成按鈕 旁会顯示绿钩输入查询编号後點擊結果查询按鈕即可查看相应角度的各項误差( 如圖 18 所示)。當擺动轴误差計算完成後點擊相应圖表展示按鈕即可在 新窗口中以曲线圖的形式查看辨識結果( 如圖 19 所示)。

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在完成擺動軸幾何誤差辨識計算後點擊主界面上的分析結果輸出按鈕在彈出窗口中輸入各个補償值的修正系数點擊保存并作圖即可圖形 化顯示補償数據的基本情况如圖 20 所示在圖 20 中核對数據无误後點擊输出至新文件即可在工程 文件夹中生成補償文件( 该数據只補償了擺動軸) , 或者點擊输出至已有文件後選擇平动轴辨識中生成 的補償文件轉动轴的補償值会被追加在平动轴補 償文件的末尾( 该数據對平动轴和擺動軸同時進行了補償) 。

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2      软件補償效果验证

为验证幾何誤差補償软件的实用性如圖 21 在一台龙门五軸數控加工中心上進行了 S 試件切削實驗采用對比補償前後加工中心切削 S 試件的加工精度對加工中心的加工精度進行了评估和比较爲了反映加工誤差的大小S 試件曲面上選擇了 100 個特征點分別测量其在曲面法向上的加工误差值无误差補償的情况下進行一次 S 試件加工與誤差測然後基于误差檢測数據利用误差補償软件導入误差補償文件再進行一次加工將两次試件的加工误差進行對比误差補償前後加工误差的变化如圖22 所示補償前後 S 試件加工誤差平均值與方差如23 所示

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由圖 22 可知S 試件 100 項檢測误差中補償前最大值爲 59. 7  μm 補償後最大值減小至 46. 3  μm最大誤差改善效果達到了 22. 4% 同時由圖 23 可知償後 100 項误差均值从 21. 9  μm 減小至 16  μm平均改善效果改善了 26. 9% 標准差從 15. 8 μm 減小至 10

μm加工精度穩定性提升了 36. 7% 由此說明采用该软件對加工中心幾何誤差進行補償後加工中心的加工精度簣D庸の榷ㄐ远加薪衔飨缘奶嵘


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3      結語

本文以具有西門子 840D 數控系統的龍門五軸數控加工中心为應用對象基于十三线平动轴幾何誤差辨識 方法和偏置球心R - test 的擺動軸幾何誤差辨識方法C +  + 環境下利用QT 界面设計框架開發了一種几何誤差補償软件软件在導入激光干涉仪和 R - test 误差测量数據後可以快速辨識出加工中心各項幾何誤差并输出能被西门子数控系统識別的補償文件通過数 控系统加载補償文件便可以实现幾何誤差的自动化補 償有效地提升了数控加工中心幾何誤差補償的效率過切削 S 試件對软件误差應用效果進行了验证結果表明應用该软件進行误差補償可以有效提升加工中心在加 工精度簣D庸の榷ㄐ本文所开发的误差補償软件可 以快速高效地实现龙门五軸數控加工中心幾何誤差的補 爲加工中心航空結構件加工精度的保證提供了有力支此外值得指出以現有單機版本軟件爲基礎在辨識算法优化人機交互操作便捷性方面繼續深入挖基于网络架构开发出更为通用的误差補償软件航空结构件加工领域乃至整个机械加工领域都有重大的應用前景


標簽: 840D  五軸加工中心  
分類: 五軸加工中心  
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