Errores geométricos de máquinas herramienta CNC y sus métodos de compensación

Resumen: Se analizan en detalle las causas de los errores geométricos de las máquinas herramienta CNC y se resumen los métodos de compensación de los errores del sistema. Sobre esta base, se resume cada método. expuesto.

Palabras clave: máquinas herramienta CNC; errores geométricos; compensación de errores

Introducción

Existen dos métodos para mejorar la precisión de las máquinas herramienta. Uno es eliminar posibles fuentes de error mejorando los niveles de diseño, fabricación y ensamblaje de las piezas, el llamado método de prevención de errores (poka-yoke). Por un lado, este método está limitado principalmente por la precisión de la máquina madre. Por otro lado, la mejora de la calidad de las piezas conduce a un aumento de los costes de procesamiento, lo que resulta en ciertas limitaciones en el uso de este método. Otro método se llama compensación de errores, que generalmente implica modificar las instrucciones de procesamiento de la máquina herramienta para compensar los errores en la máquina herramienta para lograr una trayectoria ideal y mejorar suavemente la precisión de la máquina herramienta. Las investigaciones muestran que los errores geométricos y los errores causados ​​por la temperatura representan aproximadamente el 70% del error total de las máquinas herramienta. Entre ellos, los errores geométricos son relativamente estables y fáciles de compensar. La compensación de errores geométricos de las máquinas herramienta CNC puede mejorar el nivel de procesamiento de toda la industria de maquinaria y es de gran importancia para promover el progreso científico y tecnológico de mi país, mejorar las capacidades de defensa nacional de nuestro país y, por lo tanto, mejorar en gran medida la fuerza nacional integral de nuestro país.

1 Causas de los errores geométricos

Se cree generalmente que las principales causas de los errores geométricos en las máquinas herramienta CNC incluyen los siguientes aspectos:

1.1 Errores de fabricación originales de máquinas herramienta

Se refiere a los errores de movimiento de la máquina herramienta provocados por las dimensiones geométricas, calidad superficial, errores de posición, etc. de las superficies de trabajo que conforman los distintos componentes de la máquina herramienta. Principal causa de errores geométricos en máquinas herramienta CNC. Es la principal causa de errores geométricos en las máquinas herramienta CNC.

1.2 Error del sistema de control

Incluyendo el error del servosistema del eje de la máquina herramienta (error de seguimiento del contorno) y el error del algoritmo de interpolación CNC.

1.3 Error de deformación térmica

El error causado por la deformación térmica de la estructura de la máquina herramienta causada por la fuente de calor interna de la máquina herramienta y la interferencia térmica ambiental.

1.4 Errores causados ​​por deformación de sistemas de proceso causados ​​por cargas de corte

Incluidos errores causados ​​por deformación de máquinas herramienta, herramientas de corte, piezas de trabajo y accesorios. Este tipo de error también se denomina "cuchillo hueco". Provoca deformación de la forma de la pieza de trabajo, especialmente cuando se procesan piezas de pared delgadas o se utilizan herramientas delgadas; este error es más grave.

1.5 Error de vibración de la máquina herramienta

Durante el proceso de corte, debido a la flexibilidad y variabilidad del proceso, es más probable que el estado operativo de las máquinas herramienta CNC caiga en un área inestable . Esto provoca fuertes vibraciones. Esto conduce a una disminución de la calidad de la superficie y a errores geométricos de la pieza mecanizada.

1.6 El error de detección del sistema de detección

Incluye los siguientes aspectos:

(1) Por error de fabricación del propio sistema de realimentación del sensor de medida y su impacto en la máquina herramienta Errores en el sistema de retroalimentación del sensor de medición causado por errores de instalación;

(2) Errores causados ​​por errores en las piezas y mecanismos de la máquina herramienta y deformación de los sensores de medición durante el uso.

1.7 Error de interferencia externa

Errores aleatorios provocados por cambios en las condiciones ambientales y de trabajo.

1.8 Otros errores

Como errores de programación y funcionamiento.

Según las características y naturaleza de los errores, los errores anteriores se pueden dividir en dos categorías: errores sistemáticos y errores aleatorios.

El error sistemático de las máquinas herramienta CNC es inherente a la propia máquina herramienta y es repetible. El error geométrico de las máquinas herramienta CNC es su componente principal y también es repetible. Con esta función, ¿puede medir sin conexión? Las máquinas herramienta se pueden medir fuera de línea. ¿Detección sin conexión? ¿Compensación en bucle abierto? La tecnología se utiliza para corregirlo y compensarlo para reducirlo y lograr el propósito de fortalecer la precisión de las máquinas herramienta.

Los errores aleatorios son aleatorios y deben probarse online. ¿Compensación en circuito cerrado? Métodos como este eliminan el impacto de los errores aleatorios en la precisión del procesamiento de la máquina herramienta. Este método tiene requisitos estrictos sobre los instrumentos de medición y los entornos de medición, y es difícil de promover.

2 Tecnología de compensación de errores geométricos

Para diferentes tipos de errores, la implementación de la compensación de errores se puede dividir en dos categorías.

¿Requisitos de compensación de errores aleatorios? ¿Medición en línea? El dispositivo de detección de errores se instala directamente en la máquina herramienta mientras la máquina herramienta está funcionando, el valor de error de la posición correspondiente se mide en tiempo real y el valor de error se procesa en tiempo real utilizando instrucciones para su corrección. La compensación de errores aleatorios no impone requisitos sobre las propiedades de error de la máquina herramienta y puede compensar los errores aleatorios y los errores sistemáticos de la máquina herramienta al mismo tiempo. Sin embargo, requiere un conjunto completo de dispositivos de medición de alta precisión y otros equipos relacionados, lo cual es demasiado costoso y tiene pocos beneficios económicos. La literatura [4] realizó mediciones y compensaciones de temperatura en línea, pero no logró una aplicación práctica. La compensación de errores del sistema consiste en utilizar los instrumentos correspondientes para detectar la máquina herramienta de antemano, es decir, obtener el valor de error de la posición del comando en el espacio de trabajo de la máquina herramienta mediante "medición fuera de línea" y utilizarlo en función de las coordenadas de la máquina herramienta. . Cuando la máquina herramienta está funcionando, se solicita el valor de error correspondiente para su corrección de acuerdo con las coordenadas del punto de procesamiento. La estabilidad de la máquina herramienta es necesaria para garantizar la certeza del error de la máquina herramienta y facilitar la corrección. La precisión de compensación de la máquina herramienta depende de la precisión de repetición de la máquina herramienta y de los cambios en las condiciones ambientales. Generalmente, la precisión de repetición de las máquinas herramienta CNC es mucho mayor que su error espacial integral. Por lo tanto, compensar el error del sistema puede mejorar efectivamente la precisión de la máquina herramienta e incluso mejorar el nivel de precisión de la máquina herramienta. Hasta ahora, existen muchos métodos de compensación para errores del sistema en el país y en el extranjero, que se pueden dividir principalmente en los siguientes métodos:

2.1 Método de compensación sintética de error único

Este método de compensación es basado en Basado en la teoría de la fórmula de síntesis de errores, en primer lugar, el valor de error único original de la máquina herramienta se mide directamente y el punto de compensación del componente de error se calcula mediante la fórmula de síntesis de errores, logrando así la compensación de errores de la máquina herramienta . compensar. La medición del error de posición de la máquina de medición de coordenadas tridimensional pertenece a Leete, que utiliza relaciones geométricas triangulares para derivar una representación del error de cada eje de la máquina herramienta, independientemente de la influencia del ángulo de rotación. Un ejemplo temprano de compensación de errores es la investigación del profesor Hocken, quien midió el error de una gran cantidad de puntos en el espacio de trabajo de una máquina de medición de coordenadas Moore 5-Z(1) en 16 horas, teniendo en cuenta el efecto de la temperatura, y determinó el error mediante el método de mínimos cuadrados. Parámetros del modelo. Dado que la señal de posición del movimiento de la máquina se obtiene directamente del interferómetro láser, se tienen en cuenta los efectos del error angular y del error de rectitud y se obtienen resultados más satisfactorios. 1985 G. Zhang compensó con éxito los errores de la máquina de medición de coordenadas. El error de planitud medido del banco de trabajo no excede 1 µm excepto por un valor ligeramente mayor en el borde del banco de trabajo, lo que verifica la confiabilidad de la suposición del cuerpo rígido. Los 21 errores medidos por el interferómetro láser y el nivel se sintetizaron mediante transformación de coordenadas lineales y se implementó la compensación de errores. La prueba de medición del plano xy muestra que antes de la compensación, los puntos con valores de error superiores a 20 µm representan el 20% de todos los puntos de medición. Después de la compensación, los puntos con errores superiores a 2 µm no representan más del 20%, lo que demuestra que el La precisión mejora casi 10 veces.

Además de la compensación de errores de las máquinas de medición de coordenadas tridimensionales, la investigación sobre la compensación de errores de las máquinas herramienta CNC también ha logrado ciertos resultados. En 1977, el profesor Schultschik utilizó gráficos vectoriales para analizar los errores de los componentes de las máquinas herramienta y su impacto en la precisión geométrica, sentando las bases para futuras investigaciones sobre los errores geométricos de las máquinas herramienta. Ferreira y sus colaboradores también estudiaron este método y propusieron un modelo general de errores geométricos de máquinas herramienta, contribuyendo al método de compensación integral del error de disparo único. J.Ni et al. aplicaron además este método a la compensación de errores en línea y lograron resultados satisfactorios. Chen et al. establecieron un modelo de error de 32 ítems, de los cuales 11 ítems redundantes estaban relacionados con la temperatura y los parámetros de error del origen de la máquina herramienta, y las pruebas de compensación en un centro de mecanizado horizontal mostraron una mejora de 10 veces en la precisión. Eung-Suk Lea et al. utilizaron casi el mismo método de medición que G. Zhang para medir 21 errores en una fresadora de puente de tres ejes y derivaron un modelo de error utilizando el método de síntesis de errores. Los resultados de la compensación se verificaron utilizando un interferómetro láser y el sistema DBB de Renishaw, lo que demuestra una precisión mejorada de la máquina.