淺談球桿儀在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

王俊雅，齊培紅

浙江凱達(dá)機(jī)床股份有限公司，浙江 諸暨 311800

數(shù)控機(jī)床綜合了自動(dòng)化技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和精密機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成果，隨著數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的精度是機(jī)床的性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，成為影響工件加工的主要因素，為了提高數(shù)控機(jī)床的加工優(yōu)勢(shì)，這就需要對(duì)誤差進(jìn)行快速識(shí)別和精確的修正，提高數(shù)控機(jī)床的精度。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)的傳統(tǒng)方法很難分析數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生的來(lái)源，而且調(diào)試周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了機(jī)床生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量。球桿儀作為一種綜合誤差參數(shù)測(cè)量最有效的工具，很好的解決了這一問(wèn)題。

1 球桿儀的工作原理

球桿儀主要由儀感器、磁性杯、磁性中心架、球節(jié)、磁性工具杯、球桿傳遞器等組成，由于固有的特點(diǎn)得到了廣大用戶的認(rèn)可。球桿儀能夠快速、方便、經(jīng)濟(jì)地評(píng)價(jià)和診斷數(shù)控機(jī)床的精度，適用于各種立臥式加工中心和數(shù)控車床等機(jī)床，具有操作簡(jiǎn)單、攜帶方便的特點(diǎn)。其主要的工作原理是將球桿儀兩端的精密球體，一端通過(guò)磁體架固定在基礎(chǔ)的工作臺(tái)上，另一端則固定在機(jī)床的主軸上，然后測(cè)量?jī)奢S插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)形成的圓形軌跡，為了保證得出理想的圓形軌跡，可以自己編制程序使機(jī)床作半徑等于球桿長(zhǎng)度的任一平面內(nèi)的圓形運(yùn)動(dòng)，傳感器檢測(cè)出半徑方向的長(zhǎng)度變化，也能夠檢測(cè)出機(jī)器偏離理想軌道的偏差，然后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，以能夠幫助調(diào)試任一進(jìn)行修正誤差，改善機(jī)床的性能。

2 球桿儀的應(yīng)用

球桿儀可以快速的找出并分析機(jī)床的問(wèn)題所在，可以檢測(cè)反向差、反向間隙、伺服增益、垂直度、直線度、周期誤差等性能，保證機(jī)床的正常運(yùn)行，在數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)驗(yàn)收

對(duì)于機(jī)床制造商來(lái)說(shuō)，利用球桿儀可以快速的進(jìn)行機(jī)床出廠檢驗(yàn)，并作為隨機(jī)機(jī)床精度驗(yàn)收文件，目前球桿儀已被國(guó)際機(jī)床檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所采用，同時(shí)利用球桿儀可以方便地進(jìn)行機(jī)床之間的性能比較，提示機(jī)床問(wèn)題，建立機(jī)床性能檔案。

2.2 機(jī)床切削參數(shù)的快速優(yōu)化

為了保證數(shù)控機(jī)床的加工精度，可以在不同給進(jìn)率條件下進(jìn)行球桿儀檢測(cè)機(jī)床，這樣可以優(yōu)化切削參數(shù)，提高切削精度，從而改進(jìn)了誤差，提高了產(chǎn)品合格率。

2.3 球桿儀的優(yōu)點(diǎn)

球桿儀可以揭示機(jī)床精度變化趨勢(shì)，及時(shí)提醒維修人員進(jìn)行檢查和維修，將影響機(jī)床加工的問(wèn)題及時(shí)得到解決，提高數(shù)控機(jī)床的保養(yǎng)和維修水平；同時(shí)球桿儀軟件可以進(jìn)行機(jī)床誤差的自動(dòng)分析，提高檢查維修的速度，并集中精力去解決。

2.4 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)和評(píng)估、分離故障源

球桿儀能夠迅速查找機(jī)床出現(xiàn)問(wèn)題的地方，主要檢查反向躍沖、間隙、垂直度、直線度、周期誤差、伺服不匹配、傳動(dòng)鏈磨損等。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，球桿儀進(jìn)行快速檢查，可以確定機(jī)床是否能繼續(xù)工作，并分析出現(xiàn)問(wèn)題的地方，自動(dòng)進(jìn)行誤差控制，方便維修人員快速定位故障點(diǎn)，提高解決問(wèn)題的速度。

2.5 縮短新機(jī)床開(kāi)發(fā)研制周期

利用球桿儀檢測(cè)機(jī)床可以分析潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)床軸承等的選用對(duì)機(jī)床精度性能的影響，這樣可以根據(jù)測(cè)試情況改變?cè)涮准倪x用和設(shè)計(jì)，從而縮短了新機(jī)床的研發(fā)周期。

3 誤差分析

3.1 比例不匹配

在測(cè)量中，如果顯示的圖形為橢圓或花生形，這是由于比例不匹配，測(cè)量軸間出現(xiàn)行程差所引起的，而測(cè)量軸出現(xiàn)行程差的主要原因?yàn)檩S的滾珠杠可能出現(xiàn)故障或過(guò)熱，出現(xiàn)膨脹，導(dǎo)致絲杠螺距誤差增大；還有一種情況就是如果機(jī)床存在角度誤差，就會(huì)導(dǎo)致X軸和Y軸在移動(dòng)時(shí)不能保持90°直角，導(dǎo)致傾斜出測(cè)試平面。

補(bǔ)償方法：在進(jìn)行誤差檢查過(guò)程中，一般采用誤差建模→檢測(cè)→補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)抵消存在的誤差，由于數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)主要由各數(shù)控伺服軸的運(yùn)動(dòng)合成刀刃加工軌跡，因此首先要檢查所有的線性誤差補(bǔ)償值是否準(zhǔn)確；然后檢查軸上帶狀光柵是否正確拉緊，檢查滾珠絲杠是否工作正常，溫度是否正常，如果出現(xiàn)問(wèn)題或溫度過(guò)高，要及時(shí)進(jìn)行更換；做出檢查后就可以在不同區(qū)域的多個(gè)平面內(nèi)重復(fù)進(jìn)行角度誤差測(cè)試，通過(guò)檢查這些圖形是否出現(xiàn)變形，是否出現(xiàn)隨測(cè)試位置離機(jī)器工作臺(tái)面的距離增大而增加。

3.2 周期誤差

數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中，會(huì)存在按照頻率、幅度發(fā)生周期性的正弦誤差，這是一種常見(jiàn)的、不可避免的誤差，分析其原因主要是由于軸滾珠絲杠使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，螺紋磨損，導(dǎo)致摩擦阻力增大，使得在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)法保證勻速，從而出現(xiàn)正弦運(yùn)動(dòng)方式；在數(shù)控機(jī)床安裝時(shí)，安裝人員沒(méi)有將編碼器安裝到位，導(dǎo)致位置偏心；滾珠絲杠安裝不到位，也會(huì)出現(xiàn)周期誤差，導(dǎo)致偏心；如果細(xì)分裝置或感應(yīng)傳感器未調(diào)整好，也會(huì)出現(xiàn)周期誤差；當(dāng)立軸上下運(yùn)動(dòng)周期誤差只單方面的存在，機(jī)器的平衡機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致圖形受到影響。

補(bǔ)償方法：首先要通過(guò)觀察，確定是什么地方出現(xiàn)了故障，如觀察圖形是逆時(shí)針還是順時(shí)針，這樣可以鑒別到底是滾珠絲杠出現(xiàn)了故障還是平衡出現(xiàn)了故障。對(duì)于滾珠絲杠出現(xiàn)的故障，就要調(diào)整滾珠絲杠或安裝編碼器來(lái)消除周期誤差；對(duì)于平衡機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的周期誤差，就要調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的平衡來(lái)消除周期誤差。

3.3 反向躍沖

當(dāng)某一軸某一方向驅(qū)動(dòng)，然后必須向相反的方向發(fā)生移動(dòng)，在換向處機(jī)器不是平穩(wěn)反向運(yùn)動(dòng)而可能短時(shí)的粘性停頓。這是因?yàn)樵撦S驅(qū)動(dòng)施加的彎矩不夠，造成在轉(zhuǎn)換處由于摩擦力的方向發(fā)生變化而出現(xiàn)粘性停頓。

補(bǔ)償方法：當(dāng)機(jī)器的控制系統(tǒng)具有除尖峰能力時(shí)，可以在開(kāi)啟機(jī)器時(shí)利用該功能來(lái)限制反向躍沖的影響；在進(jìn)行圓弧插補(bǔ)時(shí)，可以進(jìn)行精加工，采用該找出的給進(jìn)率。

4 結(jié)論

球桿儀能夠快速獲取數(shù)控機(jī)床的精度信息，準(zhǔn)確檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的誤差，并可查明機(jī)床誤差來(lái)源，為數(shù)控機(jī)床的故障診斷及維護(hù)提供了可靠保障，與傳統(tǒng)的工件試切檢驗(yàn)方法相比具有不可比擬的優(yōu)越性。在使用過(guò)程中，需要了解其工作原理，掌握球桿儀的使用方法，才能更好的予以運(yùn)用，提高數(shù)控機(jī)床的工作性能，保證其加工精度。

[1]洪邁生.數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度診斷[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002.

[2]劉煥牢.基于球桿儀數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方法研究[J].機(jī)械工人，2007.