CNC加工中心动态特性与s形试件轮廓差映射关系_CNC加工中心

前言：

现代CNC加工中心正在向高精度，高速化方向不断发展，对其性能、精度及效率等方面的要求也随之不断提高。CNC加工中心的精度表现与加工中心设计、制造装配、伺服驱动、CNC系统、材料等都密切相关。而在CNC加工中心的加工过程中，相比几何精度、热变形等造成的误差，加工中心动态性能对加工中心加工精度的影响较为突出，占据加工中心全部加工误差的主要部分[1]。

检测加工中心动态性能的方法通常有两种：①通过仪器检测，主要包括球杆仪、激光干涉仪、圆光栅等[2]，可以有效测量单轴的定位误差、反向间隙及加工中心各运动轴运动平面圆度误差等。张云[3]设计了一种五坐标动态精度检测工具，该工具能够结合RTCP功能准确地对加工中心进行动态精度检验，并能有效避免由于各种原因引起的检测误差。②通过加工典型标准试件来检测，目前有美国航天工业协会提出的NAS979圆锥台试件、国际标准化组织提出的ISO检测试件等。范世平等[4]提出了通过NAS979圆锥台试件对AC双摆头型五轴CNC加工中心加工精度的检测方法。Ohta等[5]分析了五轴CNC加工中心动态特性变化对四角锥台轮廓误差的影响。中航工业成都飞机工业（集团）有限公司针对加工中心性能检测，制造了一种S形检测试件W。S形试件是通过在上下两个等距离平面经过给定的5()个标准点分别构建一条s形三阶样条曲线，通过上下两条样条曲线构造直纹面，将直纹面拉厚，再加上矩形基座构成的。

杜丽等[7]研究了 s形试件在几何造型方面的特性,证明了 s形试件的加工能够体现加工中心多轴联动精度及加工中心的动态刚度性能。王伟等[8]通过仿真和实验讨论了加工中心一些重要参数对于s形试件加工误差的影响，并给出了加工精度的预测和分析方法。彭志军等1X1提出了一种基于3形试件检测量结果及RTCP精度检验的用于加工中心动态精度快速检测与优化的方法，并在多台加工中心上展开应用。

S形试件具有薄壁，刚性差，几何特征上又拥有连续变化的开闭角、扭曲角及平面曲率等特点，其加工精度能够反映加工中心的加工性能，考验加工中心的加工能力。但目前关于S形试件加工精度与加工中心动态性能之间的映射关系的研究未见报道，不能通过S形试件的加工误差对加工中心的动态性能作出定性和定量的分析，对加工中心误差的溯源和辨识缺乏映射关系的指导。由于S形试件具有对称性，故本文主要针对选取S形试件的A面进行轮廓误差与机床动态特性之间映射关系的分析和研究。

1仿真模型的建立

1.1运动轴进给系统建模

CNC加工中心进给系统的仿真建模已经十分成熟，文献[10-11]分别通过对平动轴与旋转轴伺服结构与机械结构的简化，基于PID控制原理将进给系统通过传递函数的方式进行建模分析。CNC加工中心的进给控制系统一般采用三环控制，即电流控制环、速度控制环与位置控制环。由于电流环的响应非常快，并且在加工中心中经过初始设定后一般不再改变，所以本文将一般的三环结构伺服系统简化为位置环、速度环两环控制的进给伺服系统，并参照文献[10-11 ]建立了进给系统的模型。如图1所示。

平动轴与旋转轴的进给系统输人分别是位移与旋转角度，其进给系统性能决定了加工中心的工作性能和加工精度，所以为保证进给系统的输出能满足要求，进给系统应具有定位精度高以及速度调节快的性能。本文分别给出了平动轴与旋转轴的进给系统数学模型（图2、图3)，并给出了主要的仿真参数(表1)。

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结束语：

(1 >位置环增益的大小改变、速度环的响应变慢以及加速度限制值的降低，对于S形试件的轮廓误差无论从大小的影响程度还是表现区域来看都是有区别的。S形试件作为一种检测试件，其加工精度就是作为检验加工中心性能的一种判断依据，而通过仿真分析的结果，我们获取了加工中心动态性能与S形试件轮廓误差之间的映射关系，证明了 S形试件能够很好地反映加工中心的动态性能，考察加工中心的性能参数。

(2)S形试件轮廓误差与加工中心动态特性的映射关系的分析，为加工中心性能的评判建立了依据。

可以通过对S形试件各区域的误差大小、表现区域及对应的动态性能参数赋予权重，对五轴CNC加工中心各运动轴进行综合评价来衡量加工中心的加工性能。

(3)由于S形试件轮廓误差在各性能参数和各形面区域所表现出的差异，可以通过大量的仿真和实验数据，借助于线形回归、神经网络等算
法，溯源和辨识出一种加工状态下S形试件轮廓误差所对应的五轴CNC加工中心的动态性能，为加工中心各运动轴性能参数的调整提供指导依据。

(4) 本文分析了加工中心动态性能与S形试件轮廓误差间的映射关系，为改善加工中心动态性能、加工中心性能评价及误差的溯源与辨识提供了依据。

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CNC加工中心动态特性与s形试件轮廓差映射关系

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