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基於西門子 840D 數控係統的龍(lóng)門五軸數控機(jī)床幾何誤差補償軟件開發
2020-6-30  來源:-  作者:-
 
     摘要: 基於西門子 840D 數控(kòng)係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(chà)補償軟件。該軟(ruǎn)件通過導(dǎo)入給定檢測策略下激光幹(gàn)涉儀與 R - test 的檢測數據以(yǐ)及輔助(zhù)工裝的幾(jǐ)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(biàn)識,通過偏置(zhì)球心 R - test 方法實現轉動軸幾何誤(wù)差(chà)辨識,以(yǐ)西門子 840D 數(shù)控係統垂度誤差補償文件為模板,輸出可被數控係統(tǒng)自動識別的(de)誤差補償文件,最後通過裝(zhuāng)載補償(cháng)文件實現機(jī)床幾何誤(wù)差的自(zì)動補償。該軟件內部集成幾何誤差(chà)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(suǒ)性,有效提升了幾何(hé)誤(wù)差補償效率。

    關鍵詞(cí): 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(zī)調節能力(lì)強,切削效率高,工件安裝時(shí)間(jiān)短等優點逐漸成為複雜工件加工的(de)主要設備。由於複雜的機械結構和控製係(xì)統,五軸數控機床空間定位精度相比於三軸數控機床更難得到(dào)保證,工零件加工過程(chéng)中尺寸超差時有發生[1]。特(tè)別是(shì)大型龍門五軸數控(kòng)機床,其加工行程長,龍門跨度(dù)大,運動單元重,空間定位精度易超差,周期(qī)性誤(wù)差補償必不可少。為應對這一問題,眾多機床誤差建(jiàn)模和辨識方法被相繼提出(chū),五軸數控機床加(jiā)工精度的改善成為當下研(yán)究(jiū)熱點[2]。幾何誤差是影響機床加工精度的主(zhǔ)要因素之一[3],包括定位誤差,直線度誤差,顛擺(bǎi)、偏擺、滾擺誤(wù)差及垂直度誤差。在 04 專項(xiàng)支(zhī)持下,筆者近幾年係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(fāng)法(fǎ)研究。針(zhēn)對平(píng)動軸,提出了十三線幾何誤差辨識方法[4],利用(yòng)長方體空間(jiān)的 9 條棱、3 條麵對角線(xiàn)和 1 條(tiáo)體對角線定位誤差可有效(xiào)計算出(chū)平動軸各項幾何誤(wù)差[5];針對 A、C 擺動軸,提出了基於偏置球(qiú)心 R - test 的幾何誤差辨識方法[6],通過變更 R -test 偏置參數獲得關於檢測球(qiú)頭的多組(zǔ)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(jǐ)何誤差[7]。


    在獲得幾(jǐ)何誤差值的(de)基礎上,使用數控(kòng)係統誤差補償列表對機床誤差進行修正是減(jiǎn)小機床空間定位誤差的最有效方法之一(yī)[8]。許多知名數控(kòng)係統廠家均在其推出的數控係統中支持這種補償方法。如 Fanuc30i 和 Siemens 840D 誤差補償係統,采用激光(guāng)幹涉儀作為(wéi)檢測設備,在機床工作空(kōng)間內采集測量數據,然後生成數控係統的誤差補償文件可實現機床幾何誤差的補償[9]。雖然激光幹涉儀的檢測值可以直接用於定位誤差補償,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(yǔ)實際定位誤差的疊加)
   
     開(kāi)展機床(chuáng)幾何誤差建模(mó),通過辨識算法求解進給(gěi)軸全項幾何(hé)誤差(chà),更有利於分(fèn)離幹擾誤差項,實現(xiàn)機床幾何誤差的準確補償(cháng)。筆者經多年研究在龍門五軸數控機床幾(jǐ)何誤差建模、檢測(cè)、辨識和補方麵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(fǎ)獲取機床的(de)各項幾何誤差,然後通過數控係統誤差補償列表進行誤差補償。然而,目前誤差補償還隻能以手工錄入補償數(shù)據的方法來完(wán)成,大大限製了補償(cháng)效率以及研究成果(guǒ)的普及。機床空間誤差補償技術屬於商業機密,國外研究機構和機床廠(chǎng)商鮮(xiān)有文章介紹相關軟件的開(kāi)發,而國內(nèi)基(jī)於數控係統的空間誤差補償軟件尚有待開發(fā)。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。若全麵采用進口儀器和(hé)軟件來完成機床的幾何誤差補償,雖然(rán)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製,同時還製約了我國自主知識產權誤差補償技術的研發。因此,研製一款具有檢測數據(jù)導入、誤差自動辨識、補償文件自動生成和識別功(gōng)能的(de)幾何誤(wù)差補償軟(ruǎn)件,對於機床幾何誤差補償方法(fǎ)的應用推(tuī)廣具有(yǒu)極為重要的工程意義。

    本(běn)文基於筆者(zhě)所提出的平動軸與擺動軸誤差辨識算法[4,6],開發了一種(zhǒng)針對 Siemens 840D 數控係統的幾何誤差補償軟件,通(tōng)過導(dǎo)入激光幹涉儀和R - test 的誤差(chà)檢(jiǎn)測數據[4 - 7,10 - 11]能(néng)夠自動辨識機床的各項幾何誤差,並將(jiāng)辨識結果以 Semens 840D 係統識別的補償格式(shì)輸出,從而通過(guò)數控係統裝載補償文件實現了幾何誤差自動補償(cháng)。本文首先闡述了軟件的設計思路及開發環境,然後介紹了軟件內部(bù)集成的辨識算法(fǎ)及配套檢測策略,在此基礎上介紹了軟件的主要界麵(miàn)及操作流(liú)程,最後通過(guò)切削 S試件驗證(zhèng)了誤差補償軟件的應(yīng)用效果。

    1 、軟件設計
  
    功能需求、軟件架構和開發環境是軟件(jiàn)設計的三要素。根據現場應用需求調研,立足於簡潔、實用的原則(zé),本章將從功能需求(qiú)分析、基本(běn)架構設計和開發環境3 個方麵介紹該誤(wù)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於實現測量數據導入、補償數據計(jì)算、補償文件生成這 3 個主要功能,在此基礎上補充一些便於操作的輔助功能。通過對數控廠應用需求的調研,該(gāi)幾何誤差補償軟件需要(yào)實現的主(zhǔ)要功能如下:
  
    (1)賬號密碼登陸;(2) 機床及軸種類選(xuǎn)擇;(3)測量數據(jù)導入和刪除;(4) 測量(liàng)數據圖表展示;(5) 計算參(cān)數導入;(6) 補償數(shù)據計算;(7) 計算(suàn)結果圖表展示;(8)補償係數(shù)導入;(9)
補償文件生成。

    1. 2 基本結(jié)構
  
    基於(yú)功能需求和使用便捷性,規劃軟件結構及操作流程如(rú)圖 1 所示。


    首先通過賬(zhàng)號(hào)和密碼進入(rù)誤差補償軟件(jiàn),根據需求選擇不同類型的(de)機(jī)床(目前隻有(yǒu)龍門(mén)五(wǔ)軸數控機床,其他為留用接(jiē)口)。進入機床類型後,根據需要(yào)選擇平動軸或轉動軸進行誤(wù)差辨識,並創立相應(yīng)工程(chéng)文件。在所創建的工(gōng)程文件裏進(jìn)行的主要操作包括:測量數據導(dǎo)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(chú)(修改) 以及檢測參數輸入。完成數(shù)據導(dǎo)入和辨識條件(jiàn)配(pèi)置後,即可進行幾何誤差辨識計算以及結果的展(zhǎn)示。此外,可以根據工程需要通過(guò)補償係數對補償數據進(jìn)行修正,最終由軟件生(shēng)成西門子數控係統識別的補償文件。
  
     1. 3 開發環境
  
     本軟件以 Windows 平台(tái)為基(jī)礎(chǔ),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(chéng)語言能實現對數據和合法操(cāo)作的封裝,有利於在數值分析複雜的數據計算中保持各組數據間不會出現相互幹擾。對(duì)於 32 位(wèi)簡化係統工控機運行環境,C + + 具有更好(hǎo)的(de)兼容性。Qt 是1991 年由奇趣科(kē)技開發的跨平台 C + + 圖形用戶界麵應用程序開(kāi)發(fā)框架,其良好的封(fēng)裝性和高模塊(kuài)化(huà)程度使得其(qí)各個元件之間的協同工(gōng)作變得十分簡單,對於開發(fā)需要(yào)進行(háng)窗口(kǒu)模塊間(jiān)反複傳值調用的工業軟件而言有著巨大的優勢。同時,大(dà)量已經開發成型的模塊可以被直接用於軟件編寫 ( 如本軟件中繪圖部分采用的qwt[13 - 15]即為基(jī)於 LGPL 版權協議的開(kāi)源項(xiàng)目,可生成各種(zhǒng)統計圖),從而能(néng)大大加快程序的(de)開發速(sù)度。QtCreator[16]
是與 Qt 配套的集成開發環(huán)境,能夠幫助(zhù) Qt 用戶快速地入門、開發和運行項目。內部集成的(de) Qt Desig-ner 能夠方便開發人(rén)員對軟件窗口進行可視化布局,同時其對 Qt 核心的信(xìn)號槽機製也有(yǒu)配套(tào)的(de)圖示調節器。
  
    2 、核心算法
  
    龍門五軸數控(kòng)機床幾(jǐ)何誤差補償軟(ruǎn)件,包括平動軸幾何誤差辨識、補償模塊和擺動軸(zhóu)幾何誤差辨識、補償模塊(kuài)兩(liǎng)個重要部分。由於兩種進給(gěi)軸的拓撲類型不同,所采用的檢測策略和辨(biàn)識方法都有所差(chà)異。幾何(hé)誤差檢測方法和辨(biàn)識算法是本軟件算法的核(hé)心所(suǒ)在,本(běn)文將分別對平動軸和擺動(dòng)軸(zhóu)的測(cè)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(yǐ)激光幹涉儀為(wéi)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(wéi)圖,雙箭頭(tóu) L1~ L13表(biǎo)示檢測軌跡,對應軌跡上安裝有(yǒu)激光幹涉儀反射鏡,輔助工裝通過(guò)圓軸(zhóu)安裝在(zài)機床主軸上[10]。根據檢測(cè)策略[5]編(biān)寫數控(kòng)代碼,驅動機(jī)床運動使反射鏡沿檢測軌跡移動,通過激光幹涉儀檢測給定軌跡上的(de)定(dìng)位誤差[10]。測量所(suǒ)得定位誤差以 rtl後綴文件形式保存(cún),如圖 3 所示為激光幹涉儀檢測文(wén)件的格式。本軟件將對(duì)激光幹涉儀檢測文件進行自動(dòng)識別,將測(cè)量值取至數組中用於進行後續計(jì)算。

 
 
  

    平動軸幾何誤差檢測所測得定位誤(wù)差實質上是機(jī)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(chū)的十三線辨識方(fāng)法[4](檢測軌跡如圖 4 所示),以長(zhǎng)方體空間的 9 條棱,3 條麵(miàn)對角線(xiàn)與 1 條體對角線的各檢測(cè)點上定位誤差為數據源。通(tōng)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(chà)辨識(shí)方程,並通過逐步(bù)分離和最小二(èr)乘法解算各項幾(jǐ)何誤差[5]。

  
     2. 2 轉動軸幾何誤差辨識(shí)
  
    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於機床主軸(zhóu)上[11]。基於數控機床(chuáng) RTCP 運動(dòng)功能,通過 3 個(gè)非接觸式(shì)位移傳感(gǎn)器檢測在不同擺角時球頭相對於空間理想位置的三維誤差[2]。如圖 4 所示(shì)為 R - test 檢測示意圖[6],圖 6 所示為 R - test 檢測所得(dé)數據的格式。在(zài)C 擺動軸誤(wù)差檢測時,讓 A 擺動軸靜止,通過輔助工裝3 次改變球頭相對於機床主軸的偏置參(cān)數 ( 圖 6 所示的(de)水平偏置 H 和豎直參數 L),進行 RTCP 運(yùn)動(dòng)檢測得到 3 組數據[7]。將檢測(cè)數據和 A 擺動軸幾何誤差模型[6]結合(hé)建立 A 擺動軸幾何誤差辨識模型,利(lì)用最(zuì)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(zhóu)幾何誤差(chà)檢測時,讓 C 擺動軸保持靜止,然後以類似的方式改變偏置參數,進行 3 次RTCP 運動誤差檢(jiǎn)測。最終將 A 軸的誤差檢測數據和幾何誤(wù)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(chéng)及界麵說明(míng)
  
     根據前 2 章所介紹的程序架構和辨識算法,即(jí)可應用 C 語言在 QT 框架下(xià)編寫(xiě)補償軟件的人機交互界麵。本章將對軟件的誤差(chà)辨識操作流程和主要界麵進行介紹。

     3. 1 軟件(jiàn)主界麵
  
     圖 7 所示(shì)為軟件登陸界麵,輸入用戶名(míng)和密碼點擊登陸按(àn)鈕即可進(jìn)入軟件主界麵。對於不同種類的數控機床以及不同拓撲結構的進給軸,誤差檢(jiǎn)測策略和辨識(shí)方法存在(zài)很大差異,數據(jù)處理方法和輸出格式也有所不(bú)同。本文主要介紹龍門五軸(zhóu)數控機床平動軸和擺動軸幾何誤差辨識與補償,其他類型機床可在後期研究工作完成後作為擴展目標添加到該軟件。圖 8 所示為龍門五軸數控機(jī)床進(jìn)給軸選擇界麵,可以根據辨識需求進入相應界麵。

 
  

     3. 2 平動軸檢測數據導入與誤差辨(biàn)識
  
     點擊圖 8中平動軸辨識按鈕,進(jìn)入平動軸誤(wù)差辨識主界麵,如圖 9 所示。點擊界麵左上角文件按鈕,選擇新建文件(jiàn)或者打開文件後,可新建辨識工程或打開已有辨(biàn)識工程進行操(cāo)作(zuò)。平動軸幾何誤差辨識程(chéng)序是基於 13 線法開發的,點擊(jī)“導入平動文(wén)件”按鈕可將 13 組測量數據分別導(dǎo)入辨識程序,導入界麵如圖 10 所示。已經(jīng)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(niǔ)可查看(kàn)已經導入的各(gè)組(zǔ)數據,數(shù)據查看(kàn)界麵如圖 11 所(suǒ)示。如果有(yǒu)存在疑問的數據可以刪除(chú)後重新導入或對局部(bù)數據進行修正。完成檢測數據導入後,點擊(jī)“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(cān)數。在(zài)測量數據和測量參數(shù)都導入之後,點擊主界麵(圖 9)的“綜合數據檢測”按鈕(niǔ)即可在新的窗(chuāng)口中查看(kàn)誤差辨識結果,如圖 13 為幾何誤差辨識結(jié)果(guǒ)顯示界麵。輸入查詢點號(hào)後點擊數據查詢按鈕,窗體下方(fāng)即顯示 X、Y、Z 三軸上相(xiàng)應點的各項(xiàng)誤差(chà)值。點擊“結果輸出按鈕”可在新的窗(chuāng)口中(zhōng)對(duì)誤差補償輸出值進行定義和修正。根據實際誤差檢(jiǎn)測情況定義檢測零點在機(jī)床坐標係下的坐標值,從而確定補償列表生成的(de)起始點。在(zài)補償修正係數窗口更改(gǎi)各項補償值的修正倍率(lǜ)(初始為 1),有助於實現迭代補償,提升補償效果。在補償修正係數和(hé)檢測(cè)坐標確定之後(hòu),點擊“保存並繪圖”按鈕即(jí)可將補償(cháng)數據以圖形展示(如圖 14 所示)。

 
   
 
 
 
  

     點擊“輸出至文件”按(àn)鈕,補償文件會自動生成至初始創(chuàng)建工程的文件夾(jiá)中,該補(bǔ)償文件(jiàn)形式如圖 15 所示,可以直(zhí)接導入(rù)數(shù)控係統實現平動軸幾(jǐ)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(zhóu)選擇界麵( 圖 8 所示) 選擇“轉動軸辨識”進入轉動軸辨識程序。點擊界麵左上角文件按鈕,選擇新建文件或者打(dǎ)開文件後,即可在打開工程中進行(háng)後續操作。基(jī)於轉動軸幾何誤差檢測策略[7],在轉(zhuǎn)動軸誤差辨識主界(jiè)麵(如圖(tú) 16 所示) 的引導下,分別將 A、C 擺動軸(zhóu)所對應的 3 組數據導入軟件。已經導入的數據會在下方(fāng)以綠鉤加以提示,可點(diǎn)擊相應按鈕查看(kàn)已經導入的各組數(shù)據(jù)(如圖 17 所示),如果有存(cún)在疑問的數據可以刪除(chú)後重新導入或(huò)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(cān)數,具(jù)體輸入形式與圖 12 所示平動(dòng)測量參數導入類似。A 擺動軸和 C 擺動(dòng)軸的辨識算法互相(xiàng)獨立,故點擊(jī)左側的“A/C 擺動軸誤差分析(xī)”可以分別(bié)獲得其誤(wù)差辨識結果。計算(suàn)完成後,右側“計算完成”按鈕旁會顯示綠鉤,輸入查詢編號後點擊“結果查詢按(àn)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後,點擊相應圖表展示按鈕,即(jí)可在新窗口中以(yǐ)曲線圖的形式查看辨識結果 ( 如圖(tú) 19所示(shì))。

 
 
 
  

     在完成擺動軸幾何誤差辨識計算後,點擊主界(jiè)麵上的“分析結果輸出”按鈕,在彈出窗口(kǒu)中輸入各個補償值的修正係(xì)數,點擊“保存並作圖”即可(kě)圖形化顯示補償數據的基本情況,如(rú)圖 20 所示
。在圖 20中核對數據無誤後,點(diǎn)擊輸出至新文(wén)件即可在工程文件夾中生成補償文件( 該數據隻補償了擺動軸),或者點擊輸出至已有文件後選擇平動軸辨識中生成的補償文件,轉動軸(zhóu)的補償值會被追加(jiā)在平動軸補償文件的(de)末尾( 該數(shù)據對平動軸和擺動(dòng)軸同時進行了(le)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,在一台龍門五軸數控機床上進行了 S 試件切削(xuē)實驗。采用對比補償前後機床切削 S 試件的加工精度對機床的加工精度進行了(le)評估和比較。為了(le)反映加工誤差的大小(xiǎo),在 S 試件曲麵上選(xuǎn)擇了 100 個特征點,分(fèn)別測量(liàng)其在曲麵法向上的加工誤差值。在無誤(wù)差補(bǔ)償的(de)情況下進(jìn)行一次 S 試件加工與誤差測量,然後基於誤差檢測數據利用誤差補償軟(ruǎn)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(duì)比,誤差補償前後加工誤差的變化如圖22 所示,補償前後 S 試件加工誤差平均值與方差如圖 23 所示。


 
 
  
  
    由(yóu)圖 22 可(kě)知,S 試件 100 項檢測誤差中補償前最大值為 59. 7 μm 補償後最大值減小至 46. 3 μm,最大誤差改善效果(guǒ)達(dá)到了 22. 4% 。同時由圖 23 可知,補償後 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(míng),采用該軟件對機床(chuáng)幾(jǐ)何誤差進行補償後,機床的加工精度和加工穩定性都有較為明顯的提(tí)升。


     5 、結(jié)語
  
     本文以具有西門子 840D 數控係統的龍門五軸數(shù)控機床為應用對象,基於十三線平動軸幾何誤差辨識方法(fǎ)和偏置(zhì)球心 R - test 的擺動軸(zhóu)幾何(hé)誤差辨識方法,在 C + + 環境下利用 QT 界麵設計框架(jià),開發了一種(zhǒng)幾何誤(wù)差補償軟件。軟件在導入(rù)激光幹涉儀和 R - test誤差測量數據後,可以快速辨識出機床各項幾何誤差,並輸出能被西門子數控係統識別的(de)補償(cháng)文件,通過數控係統加載補償文件便(biàn)可(kě)以實現幾何誤差的自動化補償,有效地提升了數控(kòng)機床幾何誤差補償的效率。通過切削 S 試件對軟件誤(wù)差應用效果進行了驗證,結果表明應用該軟件進行誤差補(bǔ)償可以有效提升機(jī)床在加工精度和加工穩定性。本(běn)文(wén)所開發的誤差補(bǔ)償軟件可以快速、高(gāo)效地實現龍(lóng)門(mén)五軸(zhóu)數控機床幾何(hé)誤差的補(bǔ)償,為機床航空結構件加工精度的保證提供(gòng)了(le)有力支(zhī)持。此外(wài)值得(dé)指出,以(yǐ)現有單機版(bǎn)本軟(ruǎn)件為基礎(chǔ),在辨識算法優化、人機交互、操(cāo)作便(biàn)捷性(xìng)方(fāng)麵繼續深入挖掘,基於網絡架構(gòu)開發(fā)出更為通用的誤差補償(cháng)軟件,在航空結構件(jiàn)加工(gōng)領域乃至整個(gè)機械(xiè)加工領域(yù)都有重大的應用前景(jǐng)。


     來源:
  
    周顯峰①李 傑①劉辛軍②陳俊宇③(①

    ①成都飛機工業(yè)(集(jí)團)有限責任公司 華大學機(jī)械工程係製造工程研究所, ②清華大學機械工程係(xì)製(zhì)造(zào)工程研(yán)究所,精密超精密製造(zào)裝(zhuāng)備及控製北京(jīng)市重點實驗室 ③北京大學力學與工程科學係 




 





 



 




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