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應用加工表面模擬技術於預測受CNC工具機誤差源 影響的加工表面

摘要"

CNC工具機廣泛應用在製造領域,但其自身存在許多誤差源,而在形狀生成過程中這些誤差源會降低加工工件的品質。本文示範了應用加工表面模擬技術來預測誤差源的影響。文中所提出的模擬方法由進給驅動系統的伺服模型、工具機的幾何誤差模型、加工形狀模擬器和渲染器組成,並分別以球刀進行球形加工和以端銑刀進行S形加工為例對所提出的模擬方法進行演示。結果顯示,本文提出的加工表面模擬技術可以成為電腦模擬領域的虛擬加工,它將成為虛實化生產中的一項核心技術,以減少生產中的「無附加價值時間」。

關鍵詞:CNC工具機、加工表面、幾何誤差、動態誤差、模擬、數位雙生

前言

CNC工具機在工業領域扮演著關鍵角色。現代工業領域往往對於加工工件一直有較高品質的要求,但是CNC工具機自身有許多的誤差來源,而且這些誤差來源會使得加工工件的品質變差,無法直接滿足加工工件的品質要求。因此,在實際應用中製程工程師需要透過反覆試誤的方式來解決問題,以達到工件的品質要求。如圖1所示,為了要解決問題,製程工程師首先需要在現場透過實際機台,使用反覆試誤的方式釐清問題的原因。然而,由於很難找到原因並解決問題,因此需要長時間佔用機台。由於解決問題所佔用的時間不會增加任何價值,因此大大降低了生產力。換言之,解決問題所佔用的時間是「無附加價值時間」,這也浪費了能源和人力
資源。
因此,製程工程的關鍵是減少「無附加價值時間」以使價值最大化。近年來,從這個觀點來看,虛實整合技術已經被嘗試應用在製造領域[1-3]。透過這些技術的應用,可以在實際加工前透過網絡空間找出不精確的原因並解決問題,而不用經過任何在現場反覆試誤的過程,如圖2所示。如此一來可以大大提升現場的生產效率。
為了能夠更加有效地使用虛實整合技術,需要準確地模擬加工結果。Altintas教授等人已經審查並提出了許多用來模擬加工結果的技術[4、5]。Sato團隊還提出了一種技術來模擬受誤差源影響的加工結果,並研究了幾何和動態誤差的影響[6-9]。這個模擬技術已被證實可以正確地模擬誤差源對加工結果的影響。換句話說,這個模擬模型可以被稱為「數位雙生」。
本文示範了應用加工表面模擬技術來預測誤差源的影響的模擬方法。該模擬方法由進給驅動系統的伺服模型、工具機的幾何誤差模型、加工形狀模擬器和渲染器組成。並且,以球刀進行球形加工和以端銑刀進行S形加工為例,對該方法進行演練。

CNC工具機中的形狀生成過程

圖3顯示CNC工具機中形狀生成的過程。CNC工具機是由CNC控制器所控制,而伺服系統根據控制器的位置或角度命令推導出各軸行程。如此一來,便可生成並複製刀具跟工件的相對運動。
形狀生成過程的每一步驟都存在各種誤差源。例如,CAD模型的精確度與CAM系統在產出NC程式的設置時會產生加工程式誤差。Ihara等[10]和Sato等[11]研究了CAD/CAM系統和NC程式條件設定對加工結果的影響。CNC控制器根據NC程式產生出各軸的位置和角度命令。由於位置和角度命令需要考慮軸的最大加速度,因此CNC控制器在命令中增加了加速度和減速度處理。各軸加速和減速的過程也會是造成追蹤誤差的原因。Sencer等提出了考慮追蹤誤差的加速度和減速度處理的設計策略[12、13]。以上提到的誤差來源可以被歸納為命令誤差來源,因為其誤差來自數值計算後得到的命令。
各軸的伺服系統根據CNC控制器的位置或角度命令來驅動各軸,用於進給運動的伺服系統稱為「進給驅動系統」。然而,由於系統的伺服頻寬和摩擦等干擾,進給驅動系統無法完整地遵循命令,從而導致形狀生成誤差[14、15]。工具機中最基本的誤差來源是工具機結構的幾何誤差[16、17],亦即各軸間的幾何關係。各軸還有六個自由度(Degree of Freedom, DOF)誤差,在ISO標準中稱為「運動誤差」[18]。這些誤差因子都會影響刀具與工件之間的相對位置和角度。此外,熱誤差也是工具機的重要誤差來源,因為工具機結構的溫度變化會造成零件的尺寸和形狀發生變形,從而造成各軸之間幾何關係的改變[19]。同時,高速進給運動和高速切削也會激盪出機械振動而產生誤差[20]。這些誤差來源可以歸類為動態誤差源。

加工表面模擬方法

模擬方法的流程如圖4所示。儘管存在各種物理誤差源,在實際加工過程中,在精加工階段的切削力很小,且熱變形的影響也可用幾何誤差的變化導入,因此僅將伺服系統特性和工具機結構的幾何精度導入到模型中即可進行模擬。對於命令誤差源,Yeung等人[21]開發了一個可以直接擷取工具機CNC控制器的位置和角度命令進行模擬的模型,其中擷取的命令包含了命令誤差源的影響。另外,如果CNC核心軟體是由製造商提供,則可以直接獲取各軸的命令
資料。
各進給驅動系統的數學模型可以模擬各軸命令的動態響應行為。雖然進給驅動系統可以用機械振動建模[22],本文所提出的模擬方法採用的是簡化模型如圖5所示。該模型僅考慮位置控制迴路的伺服延遲。因為速度控制迴路的響應比位置環迴路的響應快很多,這樣的簡化通常是可行的。Gp為位置迴路增益;r與y分別是各軸位置或角度的命令與輸出。位置迴路增益Gp的值可以從CNC設定值取得。
為了模擬加工表面的形狀,需要根據模擬的各軸的位置與角度進行機台座標系和工作台座標系之間的座標轉換。機台座標系指的是以機台為基準的座標系,而工作台座標系指的是以工作台為基準的座標系。
本文中展示了五軸工具機【NMV1500DCG】(DMG MORI SEIKI Co., Ltd.)的加工形狀模擬,其結構配置如圖6所示。工具機由X、Y、Z、B和C軸組成,平移軸(X、Y和Z軸)位於主軸側,而旋轉軸(B軸和C軸)位於工作台側。機台座標系的原點為各軸的參考位置或角度,該座標系固定在機台的主要框架上。工作台座標系定義為隨著C軸與B軸旋轉而旋轉的座標系。X軸和Y軸的座標原點位於C軸的旋轉中心,而Z軸的座標原點位於B軸的旋轉中心。...更墮內容,請見《機械新刊》雜誌

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