数控车削中心工件误差实时预测外文翻译资料

 2022-08-17 02:08

Int J Adv Manuf Technol (2001) 17:649–653

 2001 Springer-Verlag London Limited

Real-Time Prediction of Work piece Errors for a CNC Turning Centre, Part 1. Measurement and Identification

X. Li

Department of Manufacturing Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong

This paper analyses the error sources of the work piece in bar turning, which mainly derive from the geometric error of machine tools, i.e. the thermally induced error, the error arising from machine–work piece–tool system deflection induced by the cutting forces. A simple and low-cost compact measuring system combining a fine touch sensor and Q-setter of machine tools (FTSFQ) is developed, and applied to measure the work- piece dimensions. An identification method for work piece errors is also presented. The work piece errors which are composed of the geometric error, thermal error, and cutting force error can be identified according to the measurement results of each step. The model of the geometric error of a two-axis CNC turning centre is established rapidly based on the measurement results by using an FTSFQ setter and coordinate measuring machine (CMM). Experimental results show that the geometric error can be compensated by modified NC commands in bar turning.

Keywords: Dimension measure; Error identification; Geo- metric error; Turning

1. Introduction

In recent years, ultra precision machining has made remarkable progress. Some special lathes have been able make ultra- precision machining, to less than a submicron and Nan omicron tolerances a possibility. A common second approach is that the grinding is used to achieve a high level of dimensional accuracy after turning. However, the condition of the cutting tool (diamond) and work piece (aluminum) have restricted the application of ultra precision lathes. The second approach increases the number of machine tools and machining processes used [1], which results in an increase in the manufacturing cost. The bed is the backbone of a lathe. It usually is made of well-normalized or aged gray or nodular cast iron and provides a heavy, rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel, longitudinal ways, inner and outer, are contained on the bed, usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways, whereas others utilize one inverted V and one fiat way in one or both sets. They are precision-machined to assure accuracy of alignment. On most modem lathes the ways are surface-hardened to resist wear and abrasion, but precaution should be taken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed.

At present, most CNC lathes are equipped with a positioning resolution of 1 um. Various machining errors in finish turning, however, degrade the accuracy to a level of approximately10 um, so that when turning carbon steel, a machining error predictably arises in excess of 20–30 um. For improving mach ining accuracy, the method of careful design and manufacture has been extensively used in some CNC lathes. However, the manufacturing cost based on the above method will rapidly increase when the accuracy requirements of the machine tool system are increased beyond a certain level. For further improving machine accuracy cost-effectively, real-time error prediction and compensation based on sensing, modeling and control techniques have been widely studied [2], so ultra precision and finish tuning can be performed on one CNC lathe.

Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy beatings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size d this hole is an important dimension of a lathe because it detemtines the maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle.

The tailstock assembly consists, essentially, of three parts. A lower casting fits on the inner ways of the bed and can slide longitudinally thereon, with a means for clamping the entire assembly in any desired location. An upper casting fits on the lower one and can be move dtransversely upon it, on some type of keyed ways, to permit aligning the tailstock and headstock spindles. The third major component of the assembly is the tailstock quill. This is a hollow steel cylinder, usually about 51 to 76 mm (2 to 3 inches) in diameter, that can be moved several inches longitudinally in and out of the upper casting by means of a handwheel and screw.

The size of a lathe is designated by two dimensions. The first is known as the swing. This is the maximum diameter of work that can be rotated on a lathe. It is approximately twice the distance between the line connecting the lathe centers and the nearest point on the ways. The second size dimension is the maximum distance between centers. The swing thus indicates the maximum workpiece diameter that can be turned in the lathe, while the distance between centers indicates the maximum length of workpieee that can be mounted between centers.

The positioning resolution of the cutting tools and work piece is reduced so that it cannot maintain high accuracy during machining because of the cutting-force-induced deflection of the machine–work piece–tool system, and the thermally induced error, etc. In general, a positioning device using a piezoelectric actuator is used to improve the working accuracy, but the method introduces some problems, such as, the feedback strata- edgy, and the accuracy of sensors, which add to the manufacture- in cost of the products. However, if the work piece error can be measured by using a measuring instrument

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外文翻译：

期刊或杂志名：Into J Adv Manu Techno

出来版社：Springer-Vela London Limited

出来版时间：2001

数控车削中心工件误差实时预测

第1部分：测量和鉴定

本文分析了工件在加工旋转时的误差，其中主要来是来自机加工工具的几何误差，即是热误差，该误差引起的机械加工刀具系统的偏转。一个简单和低成本的小型测量系统结合的精细的触觉传感装置的工具了，并将其应用来于测量工件的尺寸。还提出来了工具的一种识别的方法。工件误差是由于几何误差，热误差以及切削力误差组成的，而切屑力误差可以根据每一步的测量结果。几何误差模型是建立在快速基础上的两轴CNC数控车削中心模型测量，测量的结果是由于坐标测量机用来FTSFQ的方法显示出来来。实验结果表明，在工具旋转时,几何误差是可以通过修改数控补偿命令完成的。

关键词：尺寸测量;误差识别; Geo -度量误差; 转向

  1. 介绍

近年来，超精密加工已取得了长足的进步，一些特殊的车床已经能够作出来超精密的机械加工，实现了不到1微米，甚至有可能实现的达到超微米的程度。一个常用来的一种方法是在开机后用来高水平的方法来实现磨削的高尺寸精度。然而，有些刀具（如钻石）和一些工件（如铝）应限制了超精密车床的应用来。第二种的方法是通过增加数控机床数目和加工工艺，导致生产成本的增加。床身是车床的基础件。它通常是由于经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铸铁制成。它是一个坚固的刚性框架，所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用来导轨尖顶朝上的三角形导轨(即是山形导轨)，而有的制造厂则在一组中或者两组中都采用来一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要来经过精密加工，以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤，大多数现代数控机床的导轨是经过表面淬硬的，但是在操作时还应该小心，以避免损伤导轨。导轨上的任何误差，常常意味着整个数控机床的精度遭到破坏。

目前，我国的大部分CNC数控车床都配备定位达到了1微米。然而，在精车加工时，各种加工误差，使得精确性在某种程度上降低到约10微米。因此，当加工到碳钢时，加工误差可以预见达到20-30微米。为了提高加工的精确性，这种精心设计和制造的方法已经被广泛应用来于一些CNC数控数控车床中。然而如果按照以上的方法制造的精度要来求系统超过一般的数控机床时，生产成本将会大大的增加。为了进一步的提高数控机床精度的成本，实时误差预测和补偿建模与控制技术已经广泛研究，因此，超精密的加工校正，可以实现在一般的CNC数控车床上。

由于于数控机床的精度在非常大程度上取决于主轴，因此，主轴的结构尺寸较大，通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔，长棒料可以通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要的尺寸，因为当工件必须要通过主轴孔供料时，它确定能够了加工的棒料毛坯的最大尺寸。

尾架的组件主要是由三部分组成的。底板与床身的内侧导轨的配合，并可以在导轨上做纵向的移动。底板上有一个可以使整个尾架组件夹紧在任意位置上的装置。尾架体安装在底板上，可以沿某种类型的键槽在底板上做横向的移动，使尾架能与主轴箱中的主轴对正。尾架的第三个组成部分是尾架的套筒。这是直径通常在51—76mm(2-3英寸)之间的钢制空心的圆柱体。通过手轮和螺杆，尾架套筒可以在尾架体中做纵向移入和移出来的几英寸。

车床的规格是用来两个尺寸显示出来。第一个称之为车床的床面上最大加工直径。这是在车床上能够旋转的工件的最大直径。它大约是两顶尖的连线与导轨上最近点之间距离的两倍。第二个规格的尺寸是两顶尖之间的最大距离。车床床面上最大加工直径显示出来在车床上能够车削的最大工件直径，而两顶尖之间的最大距离则显示出来在两个顶尖之间能够安装的工件的最大长度。

刀具和工件的定位解决了刀具和工件的切削，但它却不能保证非常高的精确性，因为它在加工的过程中，切削力会影响数控机床-工件-刀具的系统，并且热量也会导致误差等等。一般来说，定位装置可以采用压电致动器，用来改善工作准确性，但，采用这种方法也带来了一些问题，比如地层的反馈和传感装置的准确性，增加生产和产品的成本。然而，如果工件误差可以通过使用来测量仪器，或预测使用来建模，再去执行已经做好的改变数控的命令，那么将会充分的执行好CNC数控机床。因此，在一定的时间内，这种数控车削中心可以弥补正常加工时的加工误差，即是数控机床机产品采用来可改性的数控命令能够制造具有高精确度的产品。

2.车削加工的误差来源

数控机床的系统由于驱动伺服，数控机床结构，工件和切削过程组成的。主要是误差来源数控机床（热误差，几何误差，和振动） ，控制（伺服驱动动力学及编程误差） 和切削过程（数控机床和刀具变形，工件偏转，刀具磨损和颤振）。

在加工中精细的工件时热误差和几何误差是主导的因素。然而，数控机床误差可以从其他误差来源和补偿解耦。误差来源于受迫振动可以通过平衡动态组件和减少振动隔离。

控制器和驱动器的误差来自切削力的干扰和机座的惯性，这些误差可能减少一个接一个减速器的功能，或者一个先进的伺服驱动控制器，这些误差，相对于其他误差来源，利用来上述方法可以在他们较小时得到减少。

由于于需求非常大，生产率要来高， 大量的削减要来求，而导致产生较大切削力。因此，数控机床的切削力引起的变形量（主轴） ，刀架，工件，和刀具在加工精度切削过程起到重要来作用来。此外，在切削过程中，刀具磨损和数控机床颤振，重要来的误差来源。然而，这些影响可以被忽视，主要是误差来源。

简而言之，加工工件误差，即是加工误差(iTot)，主要来源是由于数控机床的几何误差(), 热致误差(),以及数控机床-工件-刀具系统的挠度误差()所引起的切削力，因此：

iTot= iG iT iF (1)

在下一节中，我们提出来一个新颍紧凑的测量仪器和测量的新的分析方法和识别工件车削中的误差。

3 .紧凑的测量系统

接触传感装置，如触摸触发探测器，用来于测量工件尺寸加工。在加工的实践中，测量的仪器连接到机器其中的轴，用来来测量一个工件的表面。TP7M或MP3和PH10M相关范围的机动探头元件或PH6M固定头由于于它高的可靠性和精确性，完整的加工点，被广泛应用来于自动化数控检测环境。虽然探头设计有足够的精确度（针式单向重复性（高灵敏度）：0.25微米;设定的旋转360 （高灵敏度）：0.25微米），并且可以执行多种功能，他们也有非常明显的缺陷，包括制造的复杂性，高价格（4988美元），以及非常复杂的维修。

为了克服这里的缺点，Ostafiev等人介绍了一种新颖的技术并且设计出来一种效果非常好的触摸传感装置：触摸触发探头，该传感装置的刀具是以其本身作为探针。该传感装置的测量精度就是当年触摸触发探针中最好的。此外，这种传感装置的工作原理和施工是非常简单的，维护成本非常低，而且维护是非常容易。在本文中，这个传感装置将、用来Q-setter装置来测量工件直径。

触摸感应器应安装在一个数控车削中心上。作为数控单元，当我们手动把刀尖触碰到主轴时，它会产生中断信号。此外，它可以记录一个工件自动转向的坐标。这种功能方便随时更换刀具。因此，拥有这种功能称为“快速换刀装置”或“Q装置”。基于上述原则，我们可以设计一个由良好的触摸传感器构成的开关，控制Q装置和NC单元。当刀尖触及工件表面，精细式触摸传感器能发出一个控制信号转换，使之向'关闭'状态。见图1。优良式触摸传感器取代了问答式的Q装置功能，以防止轴在记录的工件坐标间偏移。

图1 触摸传感器固定在一个CNC控制器的流程图

因此，优良的触摸传感器如图1，流程图的数据由触摸传感器即固定的Q装置(FTSFQ) 测得，可以用来检查工件直径，该方法是图2.

当刀具尖端触及到工件表面的时侯，将发出来“哔哔”的声音，这是开关的 “关”信号，主轴会根据Q-setter装置会自动的停止。在接触到工件表面之前，刀具尖端触及

以及“刀具的补偿”就已经获得。因此，对于工件直径有下列关系：

=2H (2)

其中：

：刀具切削时的Q-setter装置提供的刀具的补偿；

：刀具接触工件表面时的刀具的补偿；

H是Q-setter装置在X轴方向上离主轴的距离。这是由于数控机床制造商提供，如Seiki-Seicos L II旋转中心，它是85.356毫米。

Ostafiev和Venuvinod两款触摸传感装置在测试测量精度时，在演示机上能够测量精度在0.01微米以下的精度条件。然而，精密的触摸传感装置在测量精度时获得的精度为微米，因为测量结果在系统中显示出来时，数控系统和读数精度系统最大是1微米。

4. 确定工件的误差

上述分析中工件的误差源的总误差主要是由于在加工零件车削操作中的误差组成：

：的数控机床的几何误差。：热引起的误差。：切削力引起误差。

图2 使用来Q-setter的数控机床利用来精细的触摸传感装置对工件的直径执行检查

要来分析一个加工工件的误差源，刘＆Venuvinod 。图3用来来说明在车削时不同的误差分量之间的尺寸关系。

另外，在图3中，是所希望的工件尺寸; 是在测量使用来FTSFQ加工操作后立即是获得的维度; 是在数控机床FTSFQ加工操作后冷却下来测量获得的尺寸，使用来三坐标测量机测量已经从机器上取下的工件通过处理后获得的尺寸。

当工件被加工时，数控机床系统中使用来CMM的尺寸执行检查。此过程被称为后工序检验，由于在CMM的定位误差比所需的测量精度更小，总误差是：

= (-)/2 (3)

通过以上的方法获得的尺寸，使用来FTSFQ测量后立即是加工，即是机器在加工时仍然在相同的热状态。测量时，在加工过程中具有相同的定位误差。因此，在该状态下的定位误差将相当于( )，i.e.

(—)/2 = (4)

当机器完全冷却下来，即是无热误差的情况下，尺寸可以通过FTSFQ测量。测量是在测量的位置处机器具有的几何误差的定位误差。因此，在该状态下的定位误差将是（），即是相当于

()/2= (5) 结合式（4）和（5），热诱导的误差，它是

()/2 = (6) 故，以式（1），（3）和（4）考虑到，如果是机器的工件的刀具系统偏转切割力引起的误差，是：

(-)/2= (7)

图3 维之间的关系

到目前的情况为止，由于加工误差的几何误差，热误差和切削力引起的误差，可以使用来上述步骤来识别。这里，数控机床的几何误差的测量和模拟解决热误差和力引起的误差来建模。

5.模型的几何误差

两轴CNC数控车削中心滑动、主轴偏移的工件的几何误差主要来是由于线性误差和角度误差交叉的影响。这里，仅在x轴方向上的工件的几何误差是由于以下结构式显示出来：

=—euro;(x)－ (8)

其中：

：十字滑块在x，y平面沿x轴的方向euro;(x)的偏移量是主轴的转角误差；

：十字滑块沿x轴方向的线性位移误差；

独立的加工位置主轴偏移量是一个恒定值，转角误差项和线性误差项是十字滑块的位置x的函数。

在该文中，国际展贸的中心将FTSFQ安装在日立Seiko开发的FTSFQ校准仪器上，用来执行20SII两轴之间车削加工中心快速测量工件中的x轴方向上的两轴CNC数控车削中心，当该装置已经完全冷却下来，就是没有热误差的效果。可以通过使用来公式计算出来的的几何误差。根据所测量的结果。首先，一个精确地测试棒的直径在10个位置测量，除了20毫米，由于CMM测量它们的值DPPI（ⅰ=1，2，...，10）被记录。之后，示于图的测量装置测试棒安装在主轴上，并且其直径在10个位置测量，除了20毫米，由于FTSFQ读数Domical（1，2，...，10）。因此，沿x轴的工件在每个点的几何误差的计算出来的如下：

=(—)/2 (9)

从出来发点B到出来发点A，结果示于图 5，直径为30，45，60和75毫米。工件在z轴方向的几何误差是相同的。

图 4 使用来FTSFQ测量如图工件的几何误差

图5 沿z轴的工件的几何误差

然而，沿x轴方向上增加的工件的几何误差如图6所示。这些几何平均误差直径在30，45，60，和75毫米之间，分别为-7.1036，-9.0636，-

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