在大型/重型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用中，由于發(fā)熱、切削力和軸承準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載產(chǎn)生的變形嚴(yán)重影響著工件的加工精度和加工效率。如何實(shí)時(shí)測(cè)量并補(bǔ)償各種原因造成的變形成為提升數(shù)控機(jī)床性能的重要課題。示意圖1中即描述了由于主軸軸承發(fā)熱而引起的刀具中心點(diǎn)位置變化的典型情況。
為控制數(shù)控機(jī)床的熱變形，傳統(tǒng)的方法是使用應(yīng)變儀，但這要求有體積大且昂貴的專用控制電子器件，且只能借助結(jié)構(gòu)的熱模型進(jìn)行局部變形測(cè)量。同時(shí)，這種建立結(jié)構(gòu)熱模型的方法是一種靜態(tài)、線性的、基于結(jié)果的測(cè)量和補(bǔ)償方法，不能滿足加工過(guò)程中對(duì)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)性和非線性測(cè)量和補(bǔ)償?shù)男枰?，不能良好的?duì)機(jī)床變形進(jìn)行測(cè)量和誤差控制，如圖2所示。
圖1. 主軸軸承發(fā)熱而引起的刀具中心點(diǎn)的位置變化
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圖2. 因機(jī)床變?cè)斐傻拿x運(yùn)動(dòng)軌跡和實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差
Sintesi SpA公司基于激光編碼器LASDE構(gòu)建傳感器測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)各種結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)進(jìn)行三維空間變形測(cè)量和控制。
1. 激光編碼器LASDE
LASDE是Sintesi公司在精度等級(jí)和成本上都較為適用于數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的激光編碼器，它由激光源、激光靶和信號(hào)處理盒組成，能夠在長(zhǎng)達(dá)2m的長(zhǎng)度內(nèi)測(cè)量5 mm量程的變形，且能夠在較大溫度變化下保證較高的測(cè)量精度，LASDE技術(shù)參數(shù)見(jiàn)圖3。
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圖3. 激光編碼器LASDE參數(shù)表
2. 數(shù)控機(jī)床空間三維測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
顯然，由于數(shù)控機(jī)床變形的復(fù)雜性，僅利用激光編碼器進(jìn)行單軸變形測(cè)量并不能反映出刀具中心點(diǎn)的變形情況。Sintesi的變形控制解決方案采用多個(gè)LASDE激光編碼器在數(shù)控機(jī)床上構(gòu)造傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的基本單元為光學(xué)三角形，如圖4所示。采用LASDE激光編碼器網(wǎng)絡(luò)的方式，能夠?qū)崟r(shí)、高精度地將刀具中心點(diǎn)的三維變形量測(cè)量出來(lái)，發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。
圖4. 基于激光編碼器LASDE構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)
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根據(jù)特定的應(yīng)用，也可以構(gòu)建為二維或三維網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同的空間測(cè)量，其中唯一的要求為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)側(cè)面具有光學(xué)可見(jiàn)性。同時(shí)，此解決方案靈活性很大，可適用于不同的機(jī)床構(gòu)造或各種幾何形式的軸。
3. 數(shù)控機(jī)床變形造成的誤差補(bǔ)償
數(shù)控系統(tǒng)讀取LASDE激光編碼器測(cè)量的高精度變形值后對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，修正數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，以減小加工誤差、增加加工效率，如圖5所示。在使用高速加工工件時(shí)，測(cè)量和控制的實(shí)時(shí)性尤為重要，目前比較成熟的方式是采用實(shí)時(shí)性較好的測(cè)量元件和控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，例如LASDE激光編碼器和Orchestra控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)較高的實(shí)時(shí)性。
圖5. 數(shù)控機(jī)床變形誤差補(bǔ)償流程
通過(guò)LASDE構(gòu)建變形測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的提高數(shù)控機(jī)床的加工精度達(dá)80%，這會(huì)在大型、重型數(shù)控機(jī)床包括龍門機(jī)床以及CMM測(cè)量機(jī)上有廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上，大型龍門數(shù)控機(jī)床在不同的加工位置、不同的加工速度時(shí)的變形較為復(fù)雜（如圖6藍(lán)色、紅色兩種加工狀態(tài)所示），無(wú)法用既定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行事先補(bǔ)償，只能通過(guò)實(shí)時(shí)的多維測(cè)量和控制進(jìn)行良好的補(bǔ)償。
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圖6. 大型龍門數(shù)控機(jī)床變形示意圖
