周顯峰 李 杰 劉辛軍 陳俊宇

(①成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092；②清華大學(xué)機(jī)械工程系制造工程研究所，精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；③北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，北京 100871)

五軸數(shù)控機(jī)床因位姿調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，切削效率高，工件安裝時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為復(fù)雜工件加工的主要設(shè)備。由于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，五軸數(shù)控機(jī)床空間定位精度相比于三軸數(shù)控機(jī)床更難得到保證，工零件加工過程中尺寸超差時(shí)有發(fā)生[1]。特別是大型龍門五軸數(shù)控機(jī)床，其加工行程長(zhǎng)，龍門跨度大，運(yùn)動(dòng)單元重，空間定位精度易超差，周期性誤差補(bǔ)償必不可少。為應(yīng)對(duì)這一問題，眾多機(jī)床誤差建模和辨識(shí)方法被相繼提出，五軸數(shù)控機(jī)床加工精度的改善成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)[2]。幾何誤差是影響機(jī)床加工精度的主要因素之一[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。在04專項(xiàng)支持下，筆者近幾年系統(tǒng)性地開展了龍門五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差檢測(cè)、辨識(shí)和補(bǔ)償方法研究。針對(duì)平動(dòng)軸，提出了十三線幾何誤差辨識(shí)方法[4]，利用長(zhǎng)方體空間的9條棱、3條面對(duì)角線和1條體對(duì)角線定位誤差可有效計(jì)算出平動(dòng)軸各項(xiàng)幾何誤差[5]；針對(duì)A、C擺動(dòng)軸，提出了基于偏置球心R-test的幾何誤差辨識(shí)方法[6]，通過變更R-test偏置參數(shù)獲得關(guān)于檢測(cè)球頭的多組空間位置誤差，結(jié)合誤差模型求解超靜定方程組可辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸各項(xiàng)幾何誤差[7]。

在獲得幾何誤差值的基礎(chǔ)上，使用數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償列表對(duì)機(jī)床誤差進(jìn)行修正是減小機(jī)床空間定位誤差的最有效方法之一[8]。許多知名數(shù)控系統(tǒng)廠家均在其推出的數(shù)控系統(tǒng)中支持這種補(bǔ)償方法。如Fanuc 30i和Siemens 840D 誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，采用激光干涉儀作為檢測(cè)設(shè)備，在機(jī)床工作空間內(nèi)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后生成數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償文件可實(shí)現(xiàn)機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償[9]。雖然激光干涉儀的檢測(cè)值可以直接用于定位誤差補(bǔ)償，但實(shí)際測(cè)量過程中直接檢測(cè)是無法準(zhǔn)確獲得平動(dòng)軸的全部幾何誤差項(xiàng)的(如直接測(cè)量的定位誤差實(shí)際上是軸間垂直度誤差、角度誤差與實(shí)際定位誤差的疊加)。開展機(jī)床幾何誤差建模，通過辨識(shí)算法求解進(jìn)給軸全項(xiàng)幾何誤差，更有利于分離干擾誤差項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床幾何誤差的準(zhǔn)確補(bǔ)償。筆者經(jīng)多年研究在龍門五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差建模、檢測(cè)、辨識(shí)和補(bǔ)償方面取得了一些研究成果[1-7,10,11]，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)所提出的辨識(shí)算法獲取機(jī)床的各項(xiàng)幾何誤差，然后通過數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償列表進(jìn)行誤差補(bǔ)償。然而，目前誤差補(bǔ)償還只能以手工錄入補(bǔ)償數(shù)據(jù)的方法來完成，大大限制了補(bǔ)償效率以及研究成果的普及。

機(jī)床空間誤差補(bǔ)償技術(shù)屬于商業(yè)機(jī)密，國外研究機(jī)構(gòu)和機(jī)床廠商鮮有文章介紹相關(guān)軟件的開發(fā)，而國內(nèi)基于數(shù)控系統(tǒng)的空間誤差補(bǔ)償軟件尚有待開發(fā)。雖然國外已有成熟的VCS(volumetric error compensation system)軟件及配套設(shè)備，但其采購和維護(hù)費(fèi)高昂。若全面采用進(jìn)口儀器和軟件來完成機(jī)床的幾何誤差補(bǔ)償，雖然能夠解決一時(shí)之急，但長(zhǎng)期持續(xù)成本過大而且易受國外技術(shù)牽制，同時(shí)還制約了我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)誤差補(bǔ)償技術(shù)的研發(fā)。因此，研制一款具有檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、誤差自動(dòng)辨識(shí)、補(bǔ)償文件自動(dòng)生成和識(shí)別功能的幾何誤差補(bǔ)償軟件，對(duì)于機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償方法的應(yīng)用推廣具有極為重要的工程意義。本文基于筆者所提出的平動(dòng)軸與擺動(dòng)軸誤差辨識(shí)算法[4,6]，開發(fā)了一種針對(duì)Siemens 840D數(shù)控系統(tǒng)的幾何誤差補(bǔ)償軟件，通過導(dǎo)入激光干涉儀和R-test的誤差檢測(cè)數(shù)據(jù)[4-7,10-11]能夠自動(dòng)辨識(shí)機(jī)床的各項(xiàng)幾何誤差，并將辨識(shí)結(jié)果以Siemens 840D系統(tǒng)識(shí)別的補(bǔ)償格式輸出，從而通過數(shù)控系統(tǒng)裝載補(bǔ)償文件實(shí)現(xiàn)了幾何誤差自動(dòng)補(bǔ)償。本文首先闡述了軟件的設(shè)計(jì)思路及開發(fā)環(huán)境，然后介紹了軟件內(nèi)部集成的辨識(shí)算法及配套檢測(cè)策略，在此基礎(chǔ)上介紹了軟件的主要界面及操作流程，最后通過切削S試件驗(yàn)證了誤差補(bǔ)償軟件的應(yīng)用效果。

1 軟件設(shè)計(jì)

功能需求、軟件架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境是軟件設(shè)計(jì)的三要素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求調(diào)研，立足于簡(jiǎn)潔、實(shí)用的原則，本章將從功能需求分析、基本架構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)環(huán)境3個(gè)方面介紹該誤差補(bǔ)償軟件的總體設(shè)計(jì)思路。

1.1 功能分析

軟件開發(fā)的主要目的在于實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、補(bǔ)償數(shù)據(jù)計(jì)算、補(bǔ)償文件生成這3個(gè)主要功能，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些便于操作的輔助功能。通過對(duì)數(shù)控廠應(yīng)用需求的調(diào)研，該幾何誤差補(bǔ)償軟件需要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

(1)賬號(hào)密碼登陸；(2)機(jī)床及軸種類選擇；(3)測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入和刪除；(4)測(cè)量數(shù)據(jù)圖表展示；(5)計(jì)算參數(shù)導(dǎo)入；(6)補(bǔ)償數(shù)據(jù)計(jì)算；(7)計(jì)算結(jié)果圖表展示；(8)補(bǔ)償系數(shù)導(dǎo)入；(9)補(bǔ)償文件生成。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

基于功能需求和使用便捷性，規(guī)劃軟件結(jié)構(gòu)及操作流程如圖1所示。首先通過賬號(hào)和密碼進(jìn)入誤差補(bǔ)償軟件，根據(jù)需求選擇不同類型的機(jī)床(目前只有龍門五軸數(shù)控機(jī)床，其他為留用接口)。進(jìn)入機(jī)床類型后，根據(jù)需要選擇平動(dòng)軸或轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行誤差辨識(shí)，并創(chuàng)立相應(yīng)工程文件。在所創(chuàng)建的工程文件里進(jìn)行的主要操作包括：測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入(測(cè)量數(shù)據(jù)是在給定檢測(cè)策略下獲得[5,7])、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)刪除(修改)以及檢測(cè)參數(shù)輸入。完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入和辨識(shí)條件配置后，即可進(jìn)行幾何誤差辨識(shí)計(jì)算以及結(jié)果的展示。此外，可以根據(jù)工程需要通過補(bǔ)償系數(shù)對(duì)補(bǔ)償數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最終由軟件生成西門子數(shù)控系統(tǒng)識(shí)別的補(bǔ)償文件。

1.3 開發(fā)環(huán)境

本軟件以Windows平臺(tái)為基礎(chǔ)，選擇了Qt[12]作為開發(fā)框架，Qt Creator作為開發(fā)環(huán)境，使用C++進(jìn)行程序語言編寫。選擇C++作為編程語言能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)和合法操作的封裝，有利于在數(shù)值分析復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算中保持各組數(shù)據(jù)間不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。對(duì)于32位簡(jiǎn)化系統(tǒng)工控機(jī)運(yùn)行環(huán)境，C++具有更好的兼容性。Qt是1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，其良好的封裝性和高模塊化程度使得其各個(gè)元件之間的協(xié)同工作變得十分簡(jiǎn)單，對(duì)于開發(fā)需要進(jìn)行窗口模塊間反復(fù)傳值調(diào)用的工業(yè)軟件而言有著巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，大量已經(jīng)開發(fā)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qwt[13-15]即為基于LGPL版權(quán)協(xié)議的開源項(xiàng)目，可生成各種統(tǒng)計(jì)圖)，從而能大大加快程序的開發(fā)速度。Qt Creator[16]是與Qt配套的集成開發(fā)環(huán)境，能夠幫助Qt用戶快速地入門、開發(fā)和運(yùn)行項(xiàng)目。內(nèi)部集成的Qt Designer能夠方便開發(fā)人員對(duì)軟件窗口進(jìn)行可視化布局，同時(shí)其對(duì)Qt核心的信號(hào)槽機(jī)制也有配套的圖示調(diào)節(jié)器。

2 核心算法

龍門五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償軟件，包括平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)、補(bǔ)償模塊和擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)、補(bǔ)償模塊兩個(gè)重要部分。由于兩種進(jìn)給軸的拓?fù)漕愋筒煌捎玫臋z測(cè)策略和辨識(shí)方法都有所差異。幾何誤差檢測(cè)方法和辨識(shí)算法是本軟件算法的核心所在，本文將分別對(duì)平動(dòng)軸和擺動(dòng)軸的測(cè)量方法和辨識(shí)算法進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

2.1 平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)

平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)以激光干涉儀為檢測(cè)工具，通過輔助工裝將反射鏡與機(jī)床主軸固連。如圖2為輔助工裝三維圖，雙箭頭L1～L13表示檢測(cè)軌跡，對(duì)應(yīng)軌跡上安裝有激光干涉儀反射鏡，輔助工裝通過圓軸安裝在機(jī)床主軸上[10]。根據(jù)檢測(cè)策略[5]編寫數(shù)控代碼，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)使反射鏡沿檢測(cè)軌跡移動(dòng)，通過激光干涉儀檢測(cè)給定軌跡上的定位誤差[10]。測(cè)量所得定位誤差以rtl后綴文件形式保存，如圖3所示為激光干涉儀檢測(cè)文件的格式。本軟件將對(duì)激光干涉儀檢測(cè)文件進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，將測(cè)量值取至數(shù)組中用于進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

平動(dòng)軸幾何誤差檢測(cè)所測(cè)得定位誤差實(shí)質(zhì)上是機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差綜合作用的結(jié)果。為從定位誤差檢測(cè)結(jié)果中辨識(shí)出各項(xiàng)幾何誤差，軟件采用筆者所提出的十三線辨識(shí)方法[4](檢測(cè)軌跡如圖4所示)，以長(zhǎng)方體空間的9條棱，3條面對(duì)角線與1條體對(duì)角線的各檢測(cè)點(diǎn)上定位誤差為數(shù)據(jù)源。通過X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)矩陣和誤差傳遞矩陣構(gòu)建刀具幾何誤差模型，在給定檢測(cè)軌跡下得到幾何誤差辨識(shí)方程，并通過逐步分離和最小二乘法解算各項(xiàng)幾何誤差[5]。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)

擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)以R-test作為檢測(cè)工具，通過輔助工裝將帶有偏置的球形檢測(cè)頭安裝于機(jī)床主軸上[11]?；跀?shù)控機(jī)床RTCP運(yùn)動(dòng)功能，通過3個(gè)非接觸式位移傳感器檢測(cè)在不同擺角時(shí)球頭相對(duì)于空間理想位置的三維誤差[2]。如圖4所示為R-test檢測(cè)示意圖[6]，圖6所示為R-test檢測(cè)所得數(shù)據(jù)的格式。在C擺動(dòng)軸誤差檢測(cè)時(shí)，讓A擺動(dòng)軸靜止，通過輔助工裝3次改變球頭相對(duì)于機(jī)床主軸的偏置參數(shù)(圖6所示的水平偏置H和豎直參數(shù)L)，進(jìn)行RTCP運(yùn)動(dòng)檢測(cè)得到3組數(shù)據(jù)[7]。將檢測(cè)數(shù)據(jù)和A擺動(dòng)軸幾何誤差模型[6]結(jié)合建立A擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)模型，利用最小二乘法求解超靜方程組得到A擺動(dòng)軸各項(xiàng)幾何誤差[7]。在A擺動(dòng)軸幾何誤差檢測(cè)時(shí)，讓C擺動(dòng)軸保持靜止，然后以類似的方式改變偏置參數(shù)，進(jìn)行3次RTCP運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)。最終將A軸的誤差檢測(cè)數(shù)據(jù)和幾何誤差模型結(jié)合，即可辨識(shí)出A軸在各個(gè)擺角下的幾何誤差。

3 操作流程及界面說明

根據(jù)前2章所介紹的程序架構(gòu)和辨識(shí)算法，即可應(yīng)用C語言在QT框架下編寫補(bǔ)償軟件的人機(jī)交互界面。本章將對(duì)軟件的誤差辨識(shí)操作流程和主要界面進(jìn)行介紹。

3.1 軟件主界面

圖7所示為軟件登陸界面，輸入用戶名和密碼點(diǎn)擊登陸按鈕即可進(jìn)入軟件主界面。對(duì)于不同種類的數(shù)控機(jī)床以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)給軸，誤差檢測(cè)策略和辨識(shí)方法存在很大差異，數(shù)據(jù)處理方法和輸出格式也有所不同。本文主要介紹龍門五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)與補(bǔ)償，其他類型機(jī)床可在后期研究工作完成后作為擴(kuò)展目標(biāo)添加到該軟件。圖8所示為龍門五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸選擇界面，可以根據(jù)辨識(shí)需求進(jìn)入相應(yīng)界面。

3.2 平動(dòng)軸檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與誤差辨識(shí)

點(diǎn)擊圖8中平動(dòng)軸辨識(shí)按鈕，進(jìn)入平動(dòng)軸誤差辨識(shí)主界面，如圖9所示。點(diǎn)擊界面左上角文件按鈕，選擇新建文件或者打開文件后，可新建辨識(shí)工程或打開已有辨識(shí)工程進(jìn)行操作。平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)程序是基于13線法開發(fā)的，點(diǎn)擊“導(dǎo)入平動(dòng)文件”按鈕可將13組測(cè)量數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入辨識(shí)程序，導(dǎo)入界面如圖10所示。已經(jīng)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)會(huì)在對(duì)應(yīng)線號(hào)旁以綠鉤形式提示，點(diǎn)擊線號(hào)按鈕可查看已經(jīng)導(dǎo)入的各組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)查看界面如圖11所示。如果有存在疑問的數(shù)據(jù)可以刪除后重新導(dǎo)入或?qū)植繑?shù)據(jù)進(jìn)行修正。完成檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，點(diǎn)擊“導(dǎo)入平動(dòng)測(cè)量間距”按鈕輸入測(cè)量工裝的參數(shù)(圖12)，即可為誤差辨識(shí)提供計(jì)算參數(shù)。

在測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量參數(shù)都導(dǎo)入之后，點(diǎn)擊主界面(圖9)的“綜合數(shù)據(jù)檢測(cè)”按鈕即可在新的窗口中查看誤差辨識(shí)結(jié)果，如圖13為幾何誤差辨識(shí)結(jié)果顯示界面。輸入查詢點(diǎn)號(hào)后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)查詢按鈕，窗體下方即顯示X、Y、Z三軸上相應(yīng)點(diǎn)的各項(xiàng)誤差值。點(diǎn)擊“結(jié)果輸出按鈕”可在新的窗口中對(duì)誤差補(bǔ)償輸出值進(jìn)行定義和修正。根據(jù)實(shí)際誤差檢測(cè)情況定義檢測(cè)零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，從而確定補(bǔ)償列表生成的起始點(diǎn)。在補(bǔ)償修正系數(shù)窗口更改各項(xiàng)補(bǔ)償值的修正倍率(初始為1)，有助于實(shí)現(xiàn)迭代補(bǔ)償，提升補(bǔ)償效果。在補(bǔ)償修正系數(shù)和檢測(cè)坐標(biāo)確定之后，點(diǎn)擊“保存并繪圖”按鈕即可將補(bǔ)償數(shù)據(jù)以圖形展示(如圖14所示)。點(diǎn)擊“輸出至文件”按鈕，補(bǔ)償文件會(huì)自動(dòng)生成至初始創(chuàng)建工程的文件夾中，該補(bǔ)償文件形式如圖15所示，可以直接導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平動(dòng)軸幾何誤差自動(dòng)補(bǔ)償。

3.3 擺動(dòng)軸檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與誤差辨識(shí)

在進(jìn)給軸選擇界面(圖8所示)選擇“轉(zhuǎn)動(dòng)軸辨識(shí)”進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)軸辨識(shí)程序。點(diǎn)擊界面左上角文件按鈕，選擇新建文件或者打開文件后，即可在打開工程中進(jìn)行后續(xù)操作?；谵D(zhuǎn)動(dòng)軸幾何誤差檢測(cè)策略[7]，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸誤差辨識(shí)主界面(如圖16所示)的引導(dǎo)下，分別將A、C擺動(dòng)軸所對(duì)應(yīng)的3組數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件。已經(jīng)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)會(huì)在下方以綠鉤加以提示，可點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕查看已經(jīng)導(dǎo)入的各組數(shù)據(jù)(如圖17所示)，如果有存在疑問的數(shù)據(jù)可以刪除后重新導(dǎo)入或?qū)植繑?shù)據(jù)進(jìn)行修正。接著可以在“計(jì)算參數(shù)導(dǎo)入”下輸入工裝的偏置參數(shù)，具體輸入形式與圖12所示平動(dòng)測(cè)量參數(shù)導(dǎo)入類似。A擺動(dòng)軸和C擺動(dòng)軸的辨識(shí)算法互相獨(dú)立，故點(diǎn)擊左側(cè)的“A/C擺動(dòng)軸誤差分析”可以分別獲得其誤差辨識(shí)結(jié)果。計(jì)算完成后，右側(cè)“計(jì)算完成”按鈕旁會(huì)顯示綠鉤，輸入查詢編號(hào)后點(diǎn)擊“結(jié)果查詢按鈕”即可查看相應(yīng)角度的各項(xiàng)誤差(如圖18所示)。當(dāng)擺動(dòng)軸誤差計(jì)算完成后，點(diǎn)擊相應(yīng)圖表展示按鈕，即可在新窗口中以曲線圖的形式查看辨識(shí)結(jié)果(如圖19所示)。

在完成擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)計(jì)算后，點(diǎn)擊主界面上的“分析結(jié)果輸出”按鈕，在彈出窗口中輸入各個(gè)補(bǔ)償值的修正系數(shù)，點(diǎn)擊“保存并作圖”即可圖形化顯示補(bǔ)償數(shù)據(jù)的基本情況，如圖20所示。在圖20中核對(duì)數(shù)據(jù)無誤后，點(diǎn)擊輸出至新文件即可在工程文件夾中生成補(bǔ)償文件(該數(shù)據(jù)只補(bǔ)償了擺動(dòng)軸)，或者點(diǎn)擊輸出至已有文件后選擇平動(dòng)軸辨識(shí)中生成的補(bǔ)償文件，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的補(bǔ)償值會(huì)被追加在平動(dòng)軸補(bǔ)償文件的末尾(該數(shù)據(jù)對(duì)平動(dòng)軸和擺動(dòng)軸同時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)償)。

4 軟件補(bǔ)償效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證幾何誤差補(bǔ)償軟件的實(shí)用性，如圖21所示，在一臺(tái)龍門五軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了 S試件切削實(shí)驗(yàn)。采用對(duì)比補(bǔ)償前后機(jī)床切削S試件的加工精度對(duì)機(jī)床的加工精度進(jìn)行了評(píng)估和比較。為了反映加工誤差的大小，在S試件曲面上選擇了100個(gè)特征點(diǎn)，分別測(cè)量其在曲面法向上的加工誤差值。在無誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下進(jìn)行一次S試件加工與誤差測(cè)量，然后基于誤差檢測(cè)數(shù)據(jù)利用誤差補(bǔ)償軟件導(dǎo)入誤差補(bǔ)償文件再進(jìn)行一次加工。將兩次試件的加工誤差進(jìn)行對(duì)比，誤差補(bǔ)償前后加工誤差的變化如圖22所示，補(bǔ)償前后S試件加工誤差平均值與方差如圖23所示。

由圖22可知，S試件100項(xiàng)檢測(cè)誤差中補(bǔ)償前最大值為59.7 μm補(bǔ)償后最大值減小至46.3 μm，最大誤差改善效果達(dá)到了22.4%。同時(shí)由圖23可知，補(bǔ)償后100項(xiàng)誤差均值從21.9 μm減小至16 μm，平均改善效果改善了26.9%，標(biāo)準(zhǔn)差從15.8 μm減小至10 μm，加工精度穩(wěn)定性提升了36.7%。由此說明，采用該軟件對(duì)機(jī)床幾何誤差進(jìn)行補(bǔ)償后，機(jī)床的加工精度和加工穩(wěn)定性都有較為明顯的提升。

5 結(jié)語

本文以具有西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的龍門五軸數(shù)控機(jī)床為應(yīng)用對(duì)象，基于十三線平動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法和偏置球心R-test的擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法，在C++環(huán)境下利用QT界面設(shè)計(jì)框架，開發(fā)了一種幾何誤差補(bǔ)償軟件。軟件在導(dǎo)入激光干涉儀和R-test誤差測(cè)量數(shù)據(jù)后，可以快速辨識(shí)出機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差，并輸出能被西門子數(shù)控系統(tǒng)識(shí)別的補(bǔ)償文件，通過數(shù)控系統(tǒng)加載補(bǔ)償文件便可以實(shí)現(xiàn)幾何誤差的自動(dòng)化補(bǔ)償，有效地提升了數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償?shù)男?。通過切削S試件對(duì)軟件誤差應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明應(yīng)用該軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償可以有效提升機(jī)床在加工精度和加工穩(wěn)定性。本文所開發(fā)的誤差補(bǔ)償軟件可以快速、高效地實(shí)現(xiàn)龍門五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償，為機(jī)床航空結(jié)構(gòu)件加工精度的保證提供了有力支持。此外值得指出，以現(xiàn)有單機(jī)版本軟件為基礎(chǔ)，在辨識(shí)算法優(yōu)化、人機(jī)交互、操作便捷性方面繼續(xù)深入挖掘，基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)出更為通用的誤差補(bǔ)償軟件，在航空結(jié)構(gòu)件加工領(lǐng)域乃至整個(gè)機(jī)械加工領(lǐng)域都有重大的應(yīng)用前景。

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