技术

    在大型/重型数控机床的应用中，由于发热、切削力和轴承准静态负载产生的变形严重影响着工件的加工精度和加工效率。如何实时测量并补偿各种原因造成的变形成为提升数控机床性能的重要课题。示意图1中即描述了由于主轴轴承发热而引起的刀具中心点位置变化的典型情况。

    为控制数控机床的热变形，传统的方法是使用应变仪，但这要求有体积大且昂贵的专用控制电子器件，且只能借助结构的热模型进行局部变形测量。同时，这种建立结构热模型的方法是一种静态、线性的、基于结果的测量和补偿方法，不能满足加工过程中对变形进行实时性和非线性测量和补偿的需要，不能良好的对机床变形进行测量和误差控制，如图2所示。 
 

图1. 主轴轴承发热而引起的刀具中心点的位置变化 

 
图2. 因机床变造成的名义运动轨迹和实际运动轨迹的误差

    Sintesi SpA公司基于激光编码器LASDE构建传感器测量网络，可对各种结构数控机床实时进行三维空间变形测量和控制。

1. 激光编码器LASDE

    LASDE是Sintesi公司在精度等级和成本上都较为适用于数控机床应用的激光编码器，它由激光源、激光靶和信号处理盒组成，能够在长达2m的长度内测量5 mm量程的变形，且能够在较大温度变化下保证较高的测量精度，LASDE技术参数见图3。

图3. 激光编码器LASDE参数表

 2. 数控机床空间三维测量网络的构建

    显然，由于数控机床变形的复杂性，仅利用激光编码器进行单轴变形测量并不能反映出刀具中心点的变形情况。Sintesi的变形控制解决方案采用多个LASDE激光编码器在数控机床上构造传感器网络，网络的基本单元为光学三角形，如图4所示。采用LASDE激光编码器网络的方式，能够实时、高精度地将刀具中心点的三维变形量测量出来，发送给数控系统进行补偿。

图4. 基于激光编码器LASDE构建传感器网络 

    根据特定的应用，也可以构建为二维或三维网络进行不同的空间测量，其中唯一的要求为每个网络侧面具有光学可见性。同时，此解决方案灵活性很大，可适用于不同的机床构造或各种几何形式的轴。

3. 数控机床变形造成的误差补偿

    数控系统读取LASDE激光编码器测量的高精度变形值后对误差进行补偿，修正数控机床的运动，以减小加工误差、增加加工效率，如图5所示。在使用高速加工工件时，测量和控制的实时性尤为重要，目前比较成熟的方式是采用实时性较好的测量元件和控制系统来进行，例如LASDE激光编码器和Orchestra控制系统就能够实现较高的实时性。

图5. 数控机床变形误差补偿流程 

    通过LASDE构建变形测量和控制网络，能够有效的提高数控机床的加工精度达80%，这会在大型、重型数控机床包括龙门机床以及CMM测量机上有广泛的应用。事实上，大型龙门数控机床在不同的加工位置、不同的加工速度时的变形较为复杂（如图6蓝色、红色两种加工状态所示），无法用既定的数学模型进行事先补偿，只能通过实时的多维测量和控制进行良好的补偿。

图6. 大型龙门数控机床变形示意图