基于西門子 840D 數控系統的龍門五軸數控機床幾何誤差補償軟件開發
2020-6-30 來源：- 作者：-
摘要: 基于西門子 840D 數控系統垂度誤差補償功能，開發一種龍門五軸數控機床幾何誤差補償軟件。該軟件通過導入給定檢測策略下激光干涉儀與 Ｒ － test 的檢測數據以及輔助工裝的幾何參數建立辨識方程組，通過十三線辨識方法實現平動軸幾何誤差辨識，通過偏置球心 Ｒ － test 方法實現轉動軸幾何誤差辨識，以西門子 840D 數控系統垂度誤差補償文件為模板，輸出可被數控系統自動識別的誤差補償文件，最后通過裝載補償文件實現機床幾何誤差的自動補償。該軟件內部集成幾何誤差檢測策略，將辨識算法和補償技術進行自動化封裝，避免了誤差辨識和補償過程的繁瑣性，有效提升了幾何誤差補償效率。
關鍵詞: 五軸數控機床; 幾何誤差辨識; 十三線法; Ｒ － test; 誤差補償
五軸數控機床因位姿調節能力強，切削效率高，工件安裝時間短等優點逐漸成為復雜工件加工的主要設備。由于復雜的機械結構和控制系統，五軸數控機床空間定位精度相比于三軸數控機床更難得到保證，工零件加工過程中尺寸超差時有發生［1］。特別是大型龍門五軸數控機床，其加工行程長，龍門跨度大，運動單元重，空間定位精度易超差，周期性誤差補償必不可少。為應對這一問題，眾多機床誤差建模和辨識方法被相繼提出，五軸數控機床加工精度的改善成為當下研究熱點［2］。幾何誤差是影響機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 專項支持下，筆者近幾年系統性地開展了龍門五軸數控機床幾何誤差檢測、辨識和補償方法研究。針對平動軸，提出了十三線幾何誤差辨識方法［4］，利用長方體空間的 9 條棱、3 條面對角線和 1 條體對角線定位誤差可有效計算出平動軸各項幾何誤差［5］;針對 A、C 擺動軸，提出了基于偏置球心 Ｒ － test 的幾何誤差辨識方法［6］，通過變更 Ｒ －test 偏置參數獲得關于檢測球頭的多組空間位置誤差，結合誤差模型求解超靜定方程組可辨識轉動軸各項幾何誤差［7］。
在獲得幾何誤差值的基礎上，使用數控系統誤差補償列表對機床誤差進行修正是減小機床空間定位誤差的最有效方法之一［8］。許多知名數控系統廠家均在其推出的數控系統中支持這種補償方法。如 Fanuc30i 和 Siemens 840D 誤差補償系統，采用激光干涉儀作為檢測設備，在機床工作空間內采集測量數據，然后生成數控系統的誤差補償文件可實現機床幾何誤差的補償［9］。雖然激光干涉儀的檢測值可以直接用于定位誤差補償，但實際測量過程中直接檢測是無法準確獲得平動軸的全部幾何誤差項的(如直接測量的定位誤差實際上是軸間垂直度誤差、角度誤差與實際定位誤差的疊加)。
開展機床幾何誤差建模，通過辨識算法求解進給軸全項幾何誤差，更有利于分離干擾誤差項，實現機床幾何誤差的準確補償。筆者經多年研究在龍門五軸數控機床幾何誤差建模、檢測、辨識和補方面取得了一些研究成果［1 － 7，10，11］，已經實現根據所提出的辨識算法獲取機床的各項幾何誤差，然后通過數控系統誤差補償列表進行誤差補償。然而，目前誤差補償還只能以手工錄入補償數據的方法來完成，大大限制了補償效率以及研究成果的普及。機床空間誤差補償技術屬于商業機密，國外研究機構和機床廠商鮮有文章介紹相關軟件的開發，而國內基于數控系統的空間誤差補償軟件尚有待開發。雖然國外已有成熟的 VCS(volumetric error compensationsystem) 軟件及配套設備，但其采購和維護費高昂。若全面采用進口儀器和軟件來完成機床的幾何誤差補償，雖然能夠解決一時之急，但長期持續成本過大而且易受國外技術牽制，同時還制約了我國自主知識產權誤差補償技術的研發。因此，研制一款具有檢測數據導入、誤差自動辨識、補償文件自動生成和識別功能的幾何誤差補償軟件，對于機床幾何誤差補償方法的應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軸與擺動軸誤差辨識算法［4，6］，開發了一種針對 Siemens 840D 數控系統的幾何誤差補償軟件，通過導入激光干涉儀和Ｒ － test 的誤差檢測數據［4 － 7，10 － 11］能夠自動辨識機床的各項幾何誤差，并將辨識結果以 Semens 840D 系統識別的補償格式輸出，從而通過數控系統裝載補償文件實現了幾何誤差自動補償。本文首先闡述了軟件的設計思路及開發環境，然后介紹了軟件內部集成的辨識算法及配套檢測策略，在此基礎上介紹了軟件的主要界面及操作流程，最后通過切削 S試件驗證了誤差補償軟件的應用效果。
1 、軟件設計
功能需求、軟件架構和開發環境是軟件設計的三要素。根據現場應用需求調研，立足于簡潔、實用的原則，本章將從功能需求分析、基本架構設計和開發環境3 個方面介紹該誤差補償軟件的總體設計思路。
1. 1 功能分析
軟件開發的主要目的在于實現測量數據導入、補償數據計算、補償文件生成這 3 個主要功能，在此基礎上補充一些便于操作的輔助功能。通過對數控廠應用需求的調研，該幾何誤差補償軟件需要實現的主要功能如下:
(1)賬號密碼登陸;(2) 機床及軸種類選擇;(3)測量數據導入和刪除;(4) 測量數據圖表展示;(5) 計算參數導入;(6) 補償數據計算;(7) 計算結果圖表展示;(8)補償系數導入;(9)
補償文件生成。
1. 2 基本結構
基于功能需求和使用便捷性，規劃軟件結構及操作流程如圖 1 所示。
首先通過賬號和密碼進入誤差補償軟件，根據需求選擇不同類型的機床(目前只有龍門五軸數控機床，其他為留用接口)。進入機床類型后，根據需要選擇平動軸或轉動軸進行誤差辨識，并創立相應工程文件。在所創建的工程文件里進行的主要操作包括:測量數據導入(測量數據是在給定檢測策略下獲得［5，7］)、數據查看、數據刪除(修改) 以及檢測參數輸入。完成數據導入和辨識條件配置后，即可進行幾何誤差辨識計算以及結果的展示。此外，可以根據工程需要通過補償系數對補償數據進行修正，最終由軟件生成西門子數控系統識別的補償文件。
1. 3 開發環境
本軟件以 Windows 平臺為基礎，選擇了 Qt［12］作為開發框架，Qt Creator 作為開發環境，使用 C + + 進行程序語言編寫。選擇 C + + 作為編程語言能實現對數據和合法操作的封裝，有利于在數值分析復雜的數據計算中保持各組數據間不會出現相互干擾。對于 32 位簡化系統工控機運行環境，C + + 具有更好的兼容性。Qt 是1991 年由奇趣科技開發的跨平臺 C + + 圖形用戶界面應用程序開發框架，其良好的封裝性和高模塊化程度使得其各個元件之間的協同工作變得十分簡單，對于開發需要進行窗口模塊間反復傳值調用的工業軟件而言有著巨大的優勢。同時，大量已經開發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 版權協議的開源項目，可生成各種統計圖)，從而能大大加快程序的開發速度。QtCreator［16］
是與 Qt 配套的集成開發環境，能夠幫助 Qt 用戶快速地入門、開發和運行項目。內部集成的 Qt Desig-ner 能夠方便開發人員對軟件窗口進行可視化布局，同時其對 Qt 核心的信號槽機制也有配套的圖示調節器。
2 、核心算法
龍門五軸數控機床幾何誤差補償軟件，包括平動軸幾何誤差辨識、補償模塊和擺動軸幾何誤差辨識、補償模塊兩個重要部分。由于兩種進給軸的拓撲類型不同，所采用的檢測策略和辨識方法都有所差異。幾何誤差檢測方法和辨識算法是本軟件算法的核心所在，本文將分別對平動軸和擺動軸的測量方法和辨識算法進行簡要說明。
2. 1 平動軸幾何誤差辨識
平動軸幾何誤差辨識以激光干涉儀為檢測工具，通過輔助工裝將反射鏡與機床主軸固連。如圖 2 為輔助工裝三維圖，雙箭頭 L1～ L13表示檢測軌跡，對應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床主軸上［10］。根據檢測策略［5］編寫數控代碼，驅動機床運動使反射鏡沿檢測軌跡移動，通過激光干涉儀檢測給定軌跡上的定位誤差［10］。測量所得定位誤差以 rtl后綴文件形式保存，如圖 3 所示為激光干涉儀檢測文件的格式。本軟件將對激光干涉儀檢測文件進行自動識別，將測量值取至數組中用于進行后續計算。
平動軸幾何誤差檢測所測得定位誤差實質上是機床各項幾何誤差綜合作用的結果。為從定位誤差檢測結果中辨識出各項幾何誤差，軟件采用筆者所提出的十三線辨識方法［4］(檢測軌跡如圖 4 所示)，以長方體空間的 9 條棱，3 條面對角線與 1 條體對角線的各檢測點上定位誤差為數據源。通過 X、Y、Z 軸運動矩陣和誤差傳遞矩陣構建刀具幾何誤差模型，在給定檢測軌跡下得到幾何誤差辨識方程，并通過逐步分離和最小二乘法解算各項幾何誤差［5］。
2. 2 轉動軸幾何誤差辨識
擺動軸幾何誤差辨識以 Ｒ － test 作為檢測工具，通過輔助工裝將帶有偏置的球形檢測頭安裝于機床主軸上［11］。基于數控機床 ＲTCP 運動功能，通過 3 個非接觸式位移傳感器檢測在不同擺角時球頭相對于空間理想位置的三維誤差［2］。如圖 4 所示為 Ｒ － test 檢測示意圖［6］，圖 6 所示為 Ｒ － test 檢測所得數據的格式。在C 擺動軸誤差檢測時，讓 A 擺動軸靜止，通過輔助工裝3 次改變球頭相對于機床主軸的偏置參數 ( 圖 6 所示的水平偏置 H 和豎直參數 L)，進行 ＲTCP 運動檢測得到 3 組數據［7］。將檢測數據和 A 擺動軸幾何誤差模型［6］結合建立 A 擺動軸幾何誤差辨識模型，利用最小二乘法求解超靜方程組得到 A 擺動軸各項幾何誤差［7］。在 A 擺動軸幾何誤差檢測時，讓 C 擺動軸保持靜止，然后以類似的方式改變偏置參數，進行 3 次ＲTCP 運動誤差檢測。最終將 A 軸的誤差檢測數據和幾何誤差模型結合，即可辨識出 A 軸在各個擺角下的幾何誤差。
3 、操作流程及界面說明
根據前 2 章所介紹的程序架構和辨識算法，即可應用 C 語言在 QT 框架下編寫補償軟件的人機交互界面。本章將對軟件的誤差辨識操作流程和主要界面進行介紹。
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擊登陸按鈕即可進入軟件主界面。對于不同種類的數控機床以及不同拓撲結構的進給軸，誤差檢測策略和辨識方法存在很大差異，數據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控機床平動軸和擺動軸幾何誤差辨識與補償，其他類型機床可在后期研究工作完成后作為擴展目標添加到該軟件。圖 8 所示為龍門五軸數控機床進給軸選擇界面，可以根據辨識需求進入相應界面。
3. 2 平動軸檢測數據導入與誤差辨識
點擊圖 8中平動軸辨識按鈕，進入平動軸誤差辨識主界面，如圖 9 所示。點擊界面左上角文件按鈕，選擇新建文件或者打開文件后，可新建辨識工程或打開已有辨識工程進行操作。平動軸幾何誤差辨識程序是基于 13 線法開發的，點擊“導入平動文件”按鈕可將 13 組測量數據分別導入辨識程序，導入界面如圖 10 所示。已經導入的數據會在對應線號旁以綠鉤形式提示，點擊線號按鈕可查看已經導入的各組數據，數據查看界面如圖 11 所示。如果有存在疑問的數據可以刪除后重新導入或對局部數據進行修正。完成檢測數據導入后，點擊“導入平動測量間距”按鈕輸入測量工裝的參數( 圖 12)，即可為誤差辨識提供計算參數。在測量數據和測量參數都導入之后，點擊主界面(圖 9)的“綜合數據檢測”按鈕即可在新的窗口中查看誤差辨識結果，如圖 13 為幾何誤差辨識結果顯示界面。輸入查詢點號后點擊數據查詢按鈕，窗體下方即顯示 X、Y、Z 三軸上相應點的各項誤差值。點擊“結果輸出按鈕”可在新的窗口中對誤差補償輸出值進行定義和修正。根據實際誤差檢測情況定義檢測零點在機床坐標系下的坐標值，從而確定補償列表生成的起始點。在補償修正系數窗口更改各項補償值的修正倍率(初始為 1)，有助于實現迭代補償，提升補償效果。在補償修正系數和檢測坐標確定之后，點擊“保存并繪圖”按鈕即可將補償數據以圖形展示(如圖 14 所示)。
點擊“輸出至文件”按鈕，補償文件會自動生成至初始創建工程的文件夾中，該補償文件形式如圖 15 所示，可以直接導入數控系統實現平動軸幾何誤差自動補償。
3. 3 擺動軸檢測數據導入與誤差辨識
在進給軸選擇界面( 圖 8 所示) 選擇“轉動軸辨識”進入轉動軸辨識程序。點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行后續操作。基于轉動軸幾何誤差檢測策略［7］，在轉動軸誤差辨識主界面(如圖 16 所示) 的引導下，分別將 A、C 擺動軸所對應的 3 組數據導入軟件。已經導入的數據會在下方以綠鉤加以提示，可點擊相應按鈕查看已經導入的各組數據(如圖 17 所示)，如果有存在疑問的數據可以刪除后重新導入或對局部數據進行修正。接著可以在“計算參數導入”下輸入工裝的偏置參數，具體輸入形式與圖 12 所示平動測量參數導入類似。A 擺動軸和 C 擺動軸的辨識算法互相獨立，故點擊左側的“A/C 擺動軸誤差分析”可以分別獲得其誤差辨識結果。計算完成后，右側“計算完成”按鈕旁會顯示綠鉤，輸入查詢編號后點擊“結果查詢按鈕”即可查看相應角度的各項誤差(如圖 18 所示)。當擺動軸誤差計算完成后，點擊相應圖表展示按鈕，即可在新窗口中以曲線圖的形式查看辨識結果 ( 如圖 19所示)。
在完成擺動軸幾何誤差辨識計算后，點擊主界面上的“分析結果輸出”按鈕，在彈出窗口中輸入各個補償值的修正系數，點擊“保存并作圖”即可圖形化顯示補償數據的基本情況，如圖 20 所示
。在圖 20中核對數據無誤后，點擊輸出至新文件即可在工程文件夾中生成補償文件( 該數據只補償了擺動軸)，或者點擊輸出至已有文件后選擇平動軸辨識中生成的補償文件，轉動軸的補償值會被追加在平動軸補償文件的末尾( 該數據對平動軸和擺動軸同時進行了補償)。
4 、軟件補償效果驗證
為驗證幾何誤差補償軟件的實用性，如圖 21 所示，在一臺龍門五軸數控機床上進行了 S 試件切削實驗。采用對比補償前后機床切削 S 試件的加工精度對機床的加工精度進行了評估和比較。為了反映加工誤差的大小，在 S 試件曲面上選擇了 100 個特征點，分別測量其在曲面法向上的加工誤差值。在無誤差補償的情況下進行一次 S 試件加工與誤差測量，然后基于誤差檢測數據利用誤差補償軟件導入誤差補償文件再進行一次加工。將兩次試件的加工誤差進行對比，誤差補償前后加工誤差的變化如圖22 所示，補償前后 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 項檢測誤差中補償前最大值為 59. 7 μm 補償后最大值減小至 46. 3 μm，最大誤差改善效果達到了 22. 4% 。同時由圖 23 可知，補償后 100 項誤差均值從 21. 9 μm 減小至 16 μm，平均改善效果改善了 26. 9% ，標準差從 15. 8 μm 減小至 10μm，加工精度穩定性提升了 36. 7% 。由此說明，采用該軟件對機床幾何誤差進行補償后，機床的加工精度和加工穩定性都有較為明顯的提升。
5 、結語
本文以具有西門子 840D 數控系統的龍門五軸數控機床為應用對象，基于十三線平動軸幾何誤差辨識方法和偏置球心 Ｒ － test 的擺動軸幾何誤差辨識方法，在 C + + 環境下利用 QT 界面設計框架，開發了一種幾何誤差補償軟件。軟件在導入激光干涉儀和 Ｒ － test誤差測量數據后，可以快速辨識出機床各項幾何誤差，并輸出能被西門子數控系統識別的補償文件，通過數控系統加載補償文件便可以實現幾何誤差的自動化補償，有效地提升了數控機床幾何誤差補償的效率。通過切削 S 試件對軟件誤差應用效果進行了驗證，結果表明應用該軟件進行誤差補償可以有效提升機床在加工精度和加工穩定性。本文所開發的誤差補償軟件可以快速、高效地實現龍門五軸數控機床幾何誤差的補償，為機床航空結構件加工精度的保證提供了有力支持。此外值得指出，以現有單機版本軟件為基礎，在辨識算法優化、人機交互、操作便捷性方面繼續深入挖掘，基于網絡架構開發出更為通用的誤差補償軟件，在航空結構件加工領域乃至整個機械加工領域都有重大的應用前景。
來源：
周顯峰①李 杰①劉辛軍②陳俊宇③(①
①成都飛機工業(集團)有限責任公司 華大學機械工程系制造工程研究所， ②清華大學機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實驗室 ③北京大學力學與工程科學系
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