空間誤差補償技術在數(shù)控機床上的應用

王躍明

（沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203）

1 問題的提出

長久以來，空間精度補償技術一直應用于三坐標測量機上，因為三坐標測量機作為計量器具對精度要求較高。近年來，隨著數(shù)控機床技術的不斷發(fā)展，對機床精度的要求也越來越高。現(xiàn)有機床精度單從機械設計和硬件制造上來考慮，成為制約行業(yè)發(fā)展的一個瓶頸。將三坐標測量機的空間精度補償技術引入到數(shù)控機床上，將成功地解決數(shù)控機床精度再提高的關鍵問題。

在機床的三軸移動空間中，如圖1所示共有9個平移誤差參數(shù)（線性定位、直線度誤差），9個角度誤差參數(shù)（俯仰角、扭擺角和滾擺角誤差）和3個垂直度誤差參數(shù)，總計21項誤差。要將21項誤差對機床空間位置的影響完全消除，需要將各項誤差精確地檢測出來，并研究開發(fā)有關軟件，將檢測得到的誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具備相應功能的數(shù)控系統(tǒng)所能接受的參數(shù)，提供給系統(tǒng)補償結果，從而實現(xiàn)提高機床空間精度。

通常坐標軸的定位精度是評定機床精度的一項關鍵參數(shù)，有時機床的某一處定位精度已經(jīng)達到要求，但在其他位置測量同一坐標的定位精度則達不到要求。使用空間精度補償方法是對機床空間誤差進行修正的一種有效方法。

2 目前現(xiàn)狀

幾年前，當具備空間精度補償功能的高端數(shù)控系統(tǒng)Siemens 840D sl（稱VCS）和Fanuc 31i（稱三維誤差補償）推向市場后，國外生產(chǎn)高端數(shù)控機床的廠家就開始研究相關空間精度的測量和誤差補償參數(shù)計算方法，并有少量的研究成果公開發(fā)表。

從發(fā)表的現(xiàn)有資料看，有采用激光跟蹤測量法，在機床不同部位作為站點分幾次測量機床各空間定位點誤差，并用一定數(shù)學模型分離21項誤差值的方法;該種方法的優(yōu)點是一旦軟硬件和測試方案準備好，開始測量后效率就比較高。但它也有若干需要注意的地方，如軟、硬件配備的價格不低，更換機床類型需要供應商提供相關軟件，特別是當它測量21項誤差時，完全靠數(shù)學模型計算推導出來，各項誤差測量的實際不確定度無法準確給定。如跟蹤儀名義上測量線性精度的技術指標很高，但實際測量線性定位精度還須按跟蹤儀原理布置多站點按多次測量來實現(xiàn)，其補償效果有限。

另外一種常用的方法是采用激光干涉儀等測量工具，按21項誤差逐項檢測的方法。采用激光干涉儀測試各項誤差源也是目前國內(nèi)外通行而公認的辦法，其各項測試結果均具備精度溯源性，可以逐項測量并校核機床精度是否測量正確，穩(wěn)定可靠，并能方便地隨時校核空間補償效果。市場上最為普遍應用的英國產(chǎn)XL80激光干涉儀還具有開放的軟件接口，方便用戶自行研究開發(fā)自己的軟件。激光干涉儀和球桿儀是我司生產(chǎn)各類數(shù)控機床中普遍使用的工具，其入門門檻低、機床類型適用性廣的特點，促使我司最終選用該種方法來開展數(shù)控機床空間誤差補償?shù)难芯俊?/p>

3 原理

本文主要以Fanuc 31i三維空間誤差補償為測試對象來進行探討。

Fanuc三維誤差補償（需S666選項）是將每根軸分成若干段（最多25份，即每維25個點）。機床三維空間總計最多可分為15 625個點，在各點均有Δx、Δy和Δz誤差值。從三維空間來考慮，上述劃分將機床工作空間分成小立方體，每一立方體間的接點誤差Δx、Δy和Δz可以用來進行空間補償。如圖2所示，機床名義定位點為灰色點，而實際上因機床運動軸角度、直線度、垂直度等誤差的影響，使其最終定位在黑色點位置，兩者間存在誤差。

通過英國雷尼紹XL80激光干涉儀和QC20－W 球桿儀，運用RVC空間補償軟件可以得到各點補償值Cx、Cy和Cz;然后，將三維誤差補償值Cx、Cy和Cz上傳到機床控制器，使其補償生效。

機床在空間補償生效后的實際運動中，小立方體中任意點P在X軸方向的補償分量見圖3所示，它可通過方程（1）插補得到。

同理，對Y軸和Z軸的補償分量為Cy和Cz。

4 實際測量過程

以本公司配有Fanuc31i帶有S666三維誤差補償選項的高精度精密臥式加工中心作為樣機，使用XL80激光干涉儀和QC20－W球桿儀進行檢測，運用RVC空間補償軟件實現(xiàn)了空間補償。

4．1 補償前機床狀態(tài)檢測

使用QC20－W球桿儀進行空間測試，快速檢查機床狀態(tài)。空間精度測試結果如圖4。

從檢測結果分析:該機床存在很大的電氣系統(tǒng)誤差，如反向躍沖、伺服不匹配等，且在圓度誤差分析中均占有超過40%的比例（甚至Z－X平面為90%以上），判斷影響機床圓度的主要誤差在電氣系統(tǒng)中，根據(jù)測試結果對電氣誤差進行了修正。

三維空間補償可以修正機床在各軸上存在的線性、角度、直線度及各軸之間的垂直度等誤差，但是如果機床本來存在較大的電氣誤差將直接影響空間補償后圓度檢查的效果。

4．2 補償原理與工具的驗證

三維空間補償?shù)倪^程為:首先進行傳統(tǒng)的“螺距補償”，接著對“角度”誤差進行修正，角度誤差修正后，再分別對“直線度”和“線性誤差”進行第二次修正，最后修正各軸之間的“垂直度”。

XL80激光干涉儀是我司在數(shù)控機床生產(chǎn)調(diào)試中長期使用的校準工具，其線性測量精度為0.5 μm，長期普遍的使用經(jīng)驗對其作為空間補償?shù)幕鶞视凶銐虻目尚哦取Ｔ跍y量的過程中，在X軸對空間補償進行了初步的驗證。待“螺距補償”和“角度”修正后，分別測量XtY直線度、XtZ直線度在補償前和補償后的數(shù)據(jù)。如圖5～6所示。

（1）RVC空間補償可以修正機床運動軸的直線度誤差，和“螺距補償”完成后的定位誤差，角度誤差和垂直度誤差也可以修正。

（2）測量過程中對誤差的方向判別也是及其重要的環(huán)節(jié)，一旦誤差方向判定錯誤，對補償結果會有極大的影響。采用XL80激光干涉儀可以分項測試，方便確定方向。

（3）RVC軟件有一個特點，可以單獨采用若干項激光干涉儀誤差數(shù)據(jù)來補償;如分別對X軸的Y、Z兩個方向做直線度補償，其補償效果明顯，且方向正確。

（4）垂直度補償?shù)尿炞C

在完成各軸補償后，使用QC20－W球桿儀300 mm測試半徑進行空間檢測，快速診斷圓度和垂直度結果，補償前X－Y垂直度19.2 μm/m。接著測量得到:補償前Y－Z垂直度－12.9 μm/m，補償前Z－X垂直度－2.1 μm/m。將測量所得垂直度誤差輸入RVC軟件，生成補償值并輸入系統(tǒng)后，結果見表1。

表1 垂直度補償前后對比表

5 空間補償后的三點驗證

空間補償精度驗證有不同的方法，在補償前后可分別加工標準樣件，或按ISO230－4標準進行球桿儀測試，或按ISO230－2標準測試定位精度等等。

筆者認為，作為測試方法的驗證，用“三點法”在機床空間中比較空間補償前后定位精度的改善狀況最為完整。通過對機床每一軸線在不同的高低左右三點測試（圖7），測試空間補償前后該軸“角度”、“直線度”和“空間線性”的誤差補償效果，空間精度應該從圖2中黑色點補償?shù)交疑c，保持在同一精度水平。

本文所測試的機床空間精度從補償前十來個微米均恢復到幾個微米。

具體在機床上選取的點大致為圖8中標明。其中在X軸方向選取兩個點A1和A2;在Y軸上選取兩個點A1和B;在Z軸上選取兩點A1和C。并在每個點上分別進行“零參數(shù)”、“螺距補償”、“空間補償”3種狀態(tài)的檢測，得到以下數(shù)據(jù)。

X軸三點測試數(shù)據(jù)對比見圖9從圖中曲線可知，進行空間補償后的數(shù)據(jù)都比補償前有改善。但也發(fā)現(xiàn)，局部補償效果并不完全相同。詳細測試對比見表2～4。

表2 空間誤差補償前后X軸數(shù)據(jù)對比

表3 空間誤差補償前后Y軸數(shù)據(jù)對比

6 結語

（1）采用工廠中普遍使用的激光干涉儀并配合RVC空間補償軟件可以很好地用于補償機床的三維誤差，如線性、角度、直線度和各軸間的垂直度等。

表4 空間誤差補償前后Z軸數(shù)據(jù)對比

（2）雖然經(jīng)過空間補償后的數(shù)據(jù)與單獨做過螺距誤差補償?shù)臄?shù)值變化不大，但是機床在整個空間中的精度趨于一致。而單獨按傳統(tǒng)方法進行螺距補償后的精度僅代表在做螺補的位置這一點的精度。

（3）RVC空間補償軟件只是用采集到的誤差進行計算，輸入數(shù)控系統(tǒng)中進行補償。所以機床的狀態(tài)（穩(wěn)定性）影響補償效果。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，Y軸測量數(shù)據(jù)存在一些問題。例如:反向間隙不斷的變化，是否因Y軸油壓不穩(wěn)造成?否則Y軸精度會更好。

（4）測量數(shù)據(jù)的誤差方向、精準度和重復性也會影響補償效果。因此選用具備可溯源的穩(wěn)定可靠檢測工具尤為重要。

（5）RVC空間補償還可以單獨用作自動補償線性定位精度，對于不具備空間誤差補償選項的普通Fanuc30i/31i的機床也可用其進行定位精度補償;而且激光干涉儀與球桿儀是常見的具有精度溯源的工具，使得RVC空間誤差補償技術的推廣普及具有更廣泛的前景。

［1］Dr．－ Ing．Jochen Bretschneider．Caution!with VCS machine tool precision can be increased!［Z］．Siemens AG，Industy Sector．

［2］常文芬，王春光，任海濤．一種新型實用的空間誤差補償方式［J］．制造技術與機床，2012（7）:101－104．

［3］ISO230－2機床測驗規(guī)則．第2部分:定位用數(shù)字控制軸的精度和重復性的測定［S］．

［4］ISO230－4－2005機床檢驗通則．第4部分:數(shù)控機床的圓檢驗［S］．