高精度数控机床切削力误差测量方法探讨

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工具技术

高精度数控机床切削力误差测量方法探讨

刘焕牢，陈宝月，刘璨，谭光宇

广东海洋大学

摘要：随着强力、高效切削方式的推进以及难加工材料的加工，由切削力引起的工件加工误差（简称切削力误cuttingforceinducederror）不容忽视。本文提出切削力误差直接测量法，差，实现了工作过程中切削力和误差数值“一维”“二维”提出建立基于和测量技术的混合的直接对应。通过对不同测量方法所反映机床误差特性的甄别，

误差模型的思想，研究成果能够为数控机床动态行为对加工性能的影响机理提供试验数据和理论基础。

关键词：切削力误差；直接测量法；混合误差模型中图分类号：TG659

文献标志码：A

ResearchonCuttingForceInducedErrorMeasurement

MethodofPrecisionCNCMachineTools

LiuHuanlao，ChenBaoyue，LiuCan，TanGuangyu

Abstract：Thecuttingforceinducederrorhasbeenmoreimportantasthehardcuttingandhardcuttingmaterialused．Thedirectmeasurementonthecuttingforceerrorhasintroducedthevalueoftheerrorandthemagnitudeoftheforcecanbeobtainedbythemethods．Themixedmodelbasedonthe“onedimension”and“twodimension”measurementmethodhasbeensuggested，theresultscouldexplainthedynamicbehaviorofthemachine．

Keywords：cuttingforcedinducederror；directmeasurement；mixederrormodel

1引言2误差测量方法及分析

经过多年发展，我国数控机床的产量逐年增加，2007年已跃居世界第一。但在中高档数控机床领域的市场占有率较低，国外数控机床品牌占领了98%的高档数控机床市场。为了突破各工业发达国家的技术和贸易壁垒，必须通过自主创新，形成具有

［1］

自主知识产权的产品以应对国际竞争。通过对数控机床的误差补偿可以有效地提高机床的精度，该方法得到了国内外的普遍重视。数控机床的误差一般包括几何误差（GeometricError）、温度误差（ThermalInducedError）、跟踪误差（Trajecto-ryFollowingError）以及加工过程中切削力引起的误

几何误差、温度误差的补偿已经取得了一差。目前，

定成果，随着高性能驱动轴和现代控制算法的使用，

跟踪误差大幅度降低。2008年由国际相关领域权威专家联合提交的主旨报告（CIRPkeynotepaper）

［2］

明确指出：为了满足对工件精度日益提高的要并且随着强力、高效切削方式的推进和难加工材求，

料的加工，切削过程中切削力数值的加大，对切削力误差的预防和补偿已经刻不容缓。

早期的误差测量是生产厂家为了向用户提供产品出厂参数和进行误差索源，以提高机床的制造精度而进行的；使用的测量仪器相对简单。为了满足1977年就有使用激光干涉仪提高机床精度的需要，

（Helett-PackardLaserInterferometers）对机床精度标定和几何误差测量的报道

［3］

。由于激光干涉仪测

量精度高，很快就被广泛运用于数控装备的误差测试过程中。美国密西根大学吴贤铭制造研究中心（S．M．WuManufacturingResearchCenter）的J．Ni（倪军）教授及其领导的学术团队对此技术做了深入的研究

［4］

。

使用激光干涉仪能够方便地测量三轴数控机床21项（五轴为52项）几何误差中除垂直度误差之外的所有项目。测量过程中，对测量环境要求比较严格，机床单轴（一维）按照测量要求（间歇）运动，机“准静态”。对测得的误差项目，床处于在小角度误差和刚体特性假设条件下，采用齐次坐标变换法，获得机床坐标和机床误差数值之间的关系，进而采用误差补偿的方法提高机床的精度

［5］

。

由于测量过程和实际工作状态一致，该项技术

基金项目：国家自然科学基金（50975053）；国家重点实验室项目（0810176）；广东海洋大学自然科学基金（1012145）收稿日期：2011年10月

首先在三坐标测量机（CMM）上得到实际应用；使测量机的精度由20μm提高到了2μm

［6］

。现有的三坐

2012年第46卷No．2

71

电流识别以及经的团队在2005年利用压力传感器、

验公式计算得到力的大小，通过位移传感器获得误

［20］差数值样本，建立了力误差神经网络模型；接着在2008年将切削力引起的误差分解为30个误差元

标测量机都采用了误差的自动补偿技术，包括温度和湿度的补偿，极大地降低了制造成本。数控机床螺距误差的补偿已经获得成功

，工业上使用的所有数控系统都已经内置了这一功能。对数控装备实

［7］

施更全面动态误差补偿，一直是相关领域专家努力

的目标。

数控机床加工过程中的运动特性比较复杂。为了真实反映机床在实际运动过程中的误差状态，Bryan教授［8］提出一种可以测量两轴（二维）联动做圆轨迹运动的测试仪器—球杆仪（DoubleBallBar）或称球柄仪，精度可达±0．5μm。该仪器已被推荐为数控机床精度评价的标准仪器。应用较方便的首推Heidenhain公司的平面光栅，属于非接触式测量，

［9］

测量精度高。不足之处是大平面光栅制造成本高，常用的直径只有230mm左右。

同激光干涉仪相比，二维测量时间短，可获得两测量过程中机床处于“运动个轴的运动误差信息，，状态”属于综合测量法。测量结果不能直接用于误差补偿，需要对测量结果分析和分解，各单向误差之间存在耦合关系，因而这一过程往往比较复杂

［10］

素，进行了切削力与几何误差模型的理论研究

［21］

。

3切削力误差直接测量方法

几何误差和温度误差的影响一直得到重视，尤其是已经形成较为完善的几何误差的理论和辨识方

［22］

法。鉴于过去对精加工切削力较小的认识和研究手段的限制，对切削力误差的研究起步较晚，目前

缺乏共性理论的主要集中在特定对象的应用研究，

指导制约了切削力误差的研究进展。

使用高精度测量仪器，能够实现数控装备几何误差和温度误差的直接测量。由于切削过程中机床工作状态的限制，无法安装高精度测量仪器。目前，切削力误差通过测量切削力，利用简化的刀具和工件变形模型由理论计算获得，缺少测量试验验证。因此，需要进一步开展切削力误差测量方法的研究。

3.1建立误差测量平台

切削力误差是由切削力引起的加工误差，由切削力通过工艺系统反映在刀具与工件的相对位置变化上，从而导致工件产生误差。结合已有的几何误差试验和理论分析结果，引起切削力误差的主要因素包括：切削力（切削参数）、工艺系统关键点状态和结构形式、刀具参数、工件材料（硬度、韧性）等作为基本参数，对主轴传动系统：主轴—刀具—夹具—工作台—进给系统各部件进行全方位的力传递测量和分析，探讨力传递之间的相关性（或无相关），缩短测量时间，增强可靠性。设计施力装置，模拟切削过程中工艺系统受力状态，构建满足激光干涉仪、球杆仪、平面光栅等“测量状态”环境，达到切削力和误差的直接对应。“恒力”开展情况下的测量试验，建立通用的切削力误差测量方法，包括一维激光干涉仪受力状态和二维平面光栅、球杆仪测量方法。构建有切削力“测量状态”，的解决施力装置主动施力方法，逼真再现工艺系统的受力状态，完成高精度测量仪器的切削力与机床误差的直接对应，实现切削力误差的快速辨识。具体测量平台如图1所示。

3.2建立切削力混合误差模型

以弹性力学、接触面理论、材料力学理论和试验

针对精密机床切削力引起的误差，深入探讨为基础，

主轴传动系统：主轴—刀具—夹具—工作台—进给

。

“三维”为了获得空间离散点的误差值。Ziegert

［11］

教授领导的小组开发了激光球杆仪（LaserBallBar），相似的还有激光跟踪测量系统（LaserTrackingSystem）［12］。Knapp教授［13］提出使用三维球列（3D-BallPlate）的方法。这些测量一次获得的误差信息有限，需要移动测量装置，建立新的参考坐标系，完成整个工作空间的误差测量相当复杂，精度不高，难以推广应用。

温度误差的测量和补偿一直是提高机床精度的

［14］

有效途径。对几何误差和温度误差的综合补偿，取得了更好的效果

［15］

。

随着研究的深入和对高精度工件的要求，切削

［16］

力误差得到重视。J．Ni（倪军）教授领导的学术团队将切削力误差分解为10项分量，包括主轴变形、刀具变形等，建立了几何误差和切削力误差综合模型；Li等考虑了三项力信号和工艺系统的变形，结合工件直径误差，建立了切削力误差神经网络模型

［17］

。

［18］

对铣削力误差的研究相对较少。Lee针对三轴数控铣床得出刀具变形、切削力和机床误差之间的关系，建立了神经网络误差模型；2008年，Schmitz［19］通过铣削工件误差和平面光栅测量结果比对，进行了铣削力误差源的探究；杨建国教授领导

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系统动态特性，在切削力误差的测量基础上，建立切削力误差包含“一维”和“二维”机床误差的混合误差模型

。

工具技术

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图1

切削加工过程中，影响切削力大小、方向的因素很多（刀具状态、位姿、切削参数、加工材料等）；在切削力没有突变的情况下（在正常的变化范围内），随着切削时间的延长、刀具的磨损等因素，模型的可靠性问题；另外，还需解决误差模型具有鲁棒性的一般性工作条件。建立模型采用矩阵表达方法，并同以训练样本为基础建立的神经网络模型进行比对。

研究相似类型、相似规格、相同切削条件的各机切削力误差模型之间的关系，探索这些模型之间床，

的内在联系规律，研究具有鲁棒性更强的误差模型，减少误差补偿实施的成本和难度。

4结语

高精度数控装备是制造和国防工业的关键基础装备，与国外相比，加工精度指标差距明显。而切削力导致的机床运行误差是机床动态综合误差的重要组成部分。随着强力、高效切削方式的推进以及难加工材料的加工，切削力误差不容忽视。本文提出切削力误差直接测量法，实现了工作过程中切削力和误差数值的直接对应。通过对不同测量方法所反映机床误差特性的甄别，提出建立基于一维和二维测量技术的混合误差模型。为数控机床切削力误差提供理论基础和原创性的测量方法，为机床动态行为对加工性能的影响机理提供试验数据和理论基础。

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2012年第46卷No．2

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2Cr13不锈钢高速铣削表面粗糙度预测模型研究

1，2222

陈惠贤，冯海涛，杨富强，张继林

1

2

数字制造技术与应用省部共建教育部重点试验室（兰州理工大学）；兰州理工大学

摘要：针对汽轮机叶片常用钢2Cr13不锈钢在切削加工中表面质量存在的问题，对高速铣削条件下2Cr13不锈钢表面粗糙度预测模型进行了研究。将最小二乘支持向量机原理应用到高速铣削2Cr13不锈钢的表面粗糙度预测建模中。得出的模型能方便地预测铣削参数对表面粗糙度的影响，并能利用有限的试验数据得出整个工作范应用最小二乘支持向量机原理建立的粗糙度预测模型回归预测精度高。围内的表面粗糙度预测值。经试验验证，

基于最小二乘支持向量机原理建模方法适合于表面粗糙度预测。

关键词：表面粗糙度；预测模型；最小二乘支持向量机；高速铣削中图分类号：TG54

文献标志码：A

SurfaceRoughnessPredictionModelinHigh－speedMillingof2Cr13StainlessSteel

ChenHuixian，FengHaitao，YangFuqiang，ZhangJilin

Abstract：For2Cr13stainlesssteelinthecuttingsurfacequalityprediction，thispaperstudiedthehigh－speedmillingsurfaceroughnesspredictionmodelofstainlesssteel．Thisprincipleoftheleastsquaressupportvectormachineisappliedtothehigh－speedmillingof2Cr13stainlesssteelsurfaceroughnesspredictionmodeling．Themodelcanbeeasilypredictedmillingparametersonsurfaceroughness．Anditcantakeadvantageofthelimitedtestdatatoobtainovertheentirerangeofsurfaceroughnessprediction．Basedontheexperimentalvalidation，theroughnessoftheregressionpredictionmodelhashighprecision．Theleastsquaressupportvectormachinemodelingapproachisgoodforsurfaceroughnessprediction．

Keywords：surfaceroughness；predictionmodel；leastsquaressupportvectormachine；high－speedmilling

1引言

控制。

在加工之前，为了对表面粗糙度进行预测与控制，需要建立精度高、泛化能力强的表面粗糙度预测模型，而且从中还可确定满足零件表面粗糙度加工要求的工艺参数。以往研究中，主要采用一阶多元线性回归

［2］

2Cr13不锈钢淬火状态下硬度高，耐蚀性良好，

［1］

常用作汽轮机叶片材料。叶根是叶片的主要装配部位，它的加工精度决定着装配质量，并直接影响叶片的安全和功率，因此，叶根的尺寸精度、表面粗糙度和技术条件要求均很高。目前，汽轮机叶片的加工设备可以保障尺寸精度与技术条件要求，但是表面粗糙度却因切削参数等诸多因素的影响而不易

的方法建立表面粗糙度预测模型，此种

方法在建模精度和泛化能力方面不能满足要求。人工神经网络作为一种新兴的智能预测法已在加工领域得到较普遍的使用

［3，4］

。该方法具有网络学习联

想能力、并行处理能力和一定的容错性，可以逼近任

收稿日期：2011年10月

意复杂的非线性系统，并能处理噪声和不完全数据。

［21］吴昊，杨建国，张宏韬，等．三轴数控铣床切削力引起的

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1989．社，

524025第一作者：刘焕牢，广东海洋大学工程训练中心，广东省湛江市

FirstAuthor：LiuHuanlao，EngineeringTrainingCenter，GuangdongOceanUniversity，Zhanjiang，Guangdong524025，China

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ackm.html