基于平面光柵的加工中心典型誤差研究*

馮 莉，戴 怡，姚繼蔚

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)a.高職部;b.機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

0 引言

目前對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種［1］。相比較而言，直接測(cè)量方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于它能排除機(jī)床本身的影響因素，測(cè)量結(jié)果能夠更直接的反應(yīng)數(shù)控機(jī)床的精度。

測(cè)量數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的方法有兩種:圓軌跡法和非圓軌跡法。圓軌跡法一種最常用的直接測(cè)量方法，在非加工狀態(tài)時(shí)，使數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)坐標(biāo)軸作圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，對(duì)檢測(cè)得到的圓軌跡進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出數(shù)控機(jī)床的相關(guān)誤差，從而獲得數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，并進(jìn)一步判斷機(jī)床的誤差來源，可以為誤差預(yù)防和誤差補(bǔ)償提供指導(dǎo)。

1 圓檢測(cè)法

數(shù)控機(jī)床圓軌跡測(cè)量方法有以下幾種:

(1)標(biāo)準(zhǔn)圓盤法

在數(shù)控機(jī)床上安裝高精度標(biāo)準(zhǔn)圓盤，讓數(shù)控機(jī)床作圓軌跡插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的圓半徑和標(biāo)準(zhǔn)圓盤的半徑相同，做出各項(xiàng)誤差單獨(dú)作用時(shí)的圓軌跡圖形，對(duì)圓軌跡進(jìn)行分析，獲得機(jī)床相對(duì)圓盤的徑向誤差值，找出影響機(jī)床幾何誤差的主要原因。最大優(yōu)點(diǎn)是:能根據(jù)顯示的圖形誤差找出數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差產(chǎn)生的主要原因，但測(cè)量精度不高，而且難以區(qū)分造成圓軌跡誤差相同的各種單項(xiàng)誤差。在驗(yàn)收、定期檢測(cè)數(shù)控機(jī)床最大誤差時(shí)使用［2］。

(2)球桿儀法

球桿儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

球桿儀法彌補(bǔ)了上一種方法中標(biāo)準(zhǔn)圓盤制造誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的的影響，檢測(cè)兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差常用的工具。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、操作方便、檢測(cè)速度快，獲得的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差信息較多。缺點(diǎn)是球桿的伸縮長(zhǎng)度過小，因此測(cè)量范圍也就很小，其次，不能在數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。

圖1 球桿儀結(jié)構(gòu)示意圖

(3)激光球桿儀

激光球桿儀精度相當(dāng)高，可用來評(píng)定機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度，分析數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償方法。優(yōu)點(diǎn)是將球桿儀法的測(cè)量范圍擴(kuò)大了，但缺點(diǎn)是這種儀器制造難度很高，造價(jià)也極高，在實(shí)際中應(yīng)用價(jià)值不大。

(4)雙環(huán)絲線儀

雙環(huán)絲線儀是將球桿儀中的球和球桿用圓環(huán)和絲線替代，優(yōu)點(diǎn)是不僅減輕了儀器的重量，而且增加了誤差的測(cè)量范圍。缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高，適用大型設(shè)備或?qū)纫蟛桓叩臏y(cè)量。

(5)平面光柵法［3］

平面光柵利用的是光學(xué)測(cè)量原理，是一種二維、非接觸式的直接測(cè)量方法。優(yōu)點(diǎn)是:不僅對(duì)數(shù)控機(jī)床的位置誤差進(jìn)行測(cè)量，還可以對(duì)機(jī)床實(shí)際的速度和加速度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的誤差結(jié)果以數(shù)據(jù)和圖形顯示出來，由輪廓數(shù)據(jù)和誤差圖形就可以得到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，由此判別誤差來源，再進(jìn)一步尋找合適的方式減少或消除誤差。

平面光柵測(cè)量范圍為1mm～115mm，是二維的非接觸式測(cè)量，測(cè)量軌跡可以是圓弧軌跡，也可以是直線或其它曲線軌跡，分辨率為5nm。相比較而言，平面光柵法比球桿儀法的測(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高，精度等級(jí)為±2μm，測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境因素影響。

2 平面光柵工作原理［4-7］

2.1 平面光柵的組成

平面光柵KGM181 的組成如圖2 所示，它主要有三大部分:一是高精度的正交柵紋圓盤，安裝時(shí)嵌入基座內(nèi);二是光柵讀數(shù)頭，檢查軸運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng);三是數(shù)據(jù)處理部分，由數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)輸出電纜等其它組件組成。

圖2 平面光柵的組成

2.2 工作原理

當(dāng)數(shù)控機(jī)床兩軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，光柵讀數(shù)頭和光柵圓盤就做相對(duì)移動(dòng)，光線衍射的結(jié)果就是產(chǎn)生干涉形成了莫爾條紋。莫爾條紋的移動(dòng)實(shí)際是將兩光柵微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)放大，也就是說，實(shí)際光柵相對(duì)位移很小，不方便直接檢測(cè)，而莫爾條紋的位移很容易測(cè)量，光柵的放大倍數(shù)決定測(cè)量精度的高低，放大倍數(shù)越大，測(cè)量精度越高。

3 圓軌跡法試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

用平面光柵在VMC640 立式加工中心上做試驗(yàn)，主要目的是:①用圓軌跡測(cè)量法測(cè)量此機(jī)床加工精度最高的速度和半徑范圍，為加工不同工件的精度提供一定的參考;②分析反向尖角產(chǎn)生的原因，找尋減小反向尖角的方法，進(jìn)一步減小機(jī)床誤差，提高零件的加工精度。

3.2 試驗(yàn)方案

采用圓軌跡法，取三種圓軌跡半徑分別為:R=10mm，R= 30mm 和R= 50mm;進(jìn)給速度取F=100mm/min，到F=3000mm/min 之間，間隔為200mm/min 或300mm/min，取十種不同進(jìn)給速度，進(jìn)行試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用裝置有:VMC640 立式加工中心，平面光柵KGM181，輸出電纜，計(jì)算機(jī)及ACCOM 數(shù)據(jù)處理軟件。在做試驗(yàn)之前，先將驅(qū)動(dòng)盤插到計(jì)算機(jī)的卡槽中，再安裝ACCOM 數(shù)據(jù)處理軟件。

3.4 安裝測(cè)量

將平面光柵測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)連接起來，其實(shí)際連接如圖3 所示。在XY平面測(cè)量安裝步驟:①安裝光柵圓盤。機(jī)床回零位，把光柵圓盤裝在工作臺(tái)上，在安裝時(shí)要保證光柵基準(zhǔn)邊平行于工作臺(tái)軸方向，平行度誤差小于0.01mm;②安裝光柵讀數(shù)頭。在主軸的端部安裝光柵讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭平面與軸平行，再鎖緊主軸;③調(diào)整光柵讀數(shù)頭與圓盤間隙。先手動(dòng)x、y軸，讓主軸處于光柵圓盤中心，再將主軸向下慢移，保證光柵讀數(shù)頭與圓盤間隙為0.5 ±0.05mm;④組件連接。把信號(hào)輸出電纜、數(shù)據(jù)采集卡和Pc 接口連接起來，再調(diào)整光柵讀數(shù)頭上的微調(diào)旋紐，最后確認(rèn)x和y向;⑤采集數(shù)據(jù)。打開ACCOM 數(shù)據(jù)處理軟件，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，再啟動(dòng)機(jī)床工作，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

圖3 平面光柵、數(shù)控機(jī)床連接系統(tǒng)圖

4 反向尖峰

反向尖峰也叫反向尖角，屬于數(shù)控機(jī)床的一種典型誤差，它是數(shù)控機(jī)床幾何誤差的一種(如圖4 所示)。反向尖峰是發(fā)生在軸運(yùn)動(dòng)反向時(shí)，在軸反向運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)滯后即短暫的停留，之后再快速反向運(yùn)動(dòng)。反向尖峰出現(xiàn)主要原因:①反向運(yùn)動(dòng)滯后，這是由于在反向點(diǎn)摩擦力方向改變，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩不夠造成;②間隙不能及時(shí)補(bǔ)償，由于機(jī)床的伺服響應(yīng)不夠及時(shí)，導(dǎo)致反向間隙不能及時(shí)補(bǔ)償;③軸運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)滯后是由于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)本身的位置環(huán)增益太低［8］。

圖4 反向尖峰

這幾個(gè)原因主要是由于數(shù)控機(jī)床在安裝過程采用的方法不同及數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)本身原因引起的，還有軌跡半徑和進(jìn)給速度也對(duì)反向尖峰有一定的影響，不同的數(shù)控機(jī)床反向尖角數(shù)值不同。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過在VMC640 立式加工中心上用KGM181 圓弧插補(bǔ)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量反向尖峰。分別對(duì)軌跡半徑R=10mm，R=30mm 和R=50mm 三種圓軌跡半徑;進(jìn)給速度F=100mm/min，到F=3000mm/min 之間，進(jìn)給速度間隔為200mm/min 或300mm/min，取十種進(jìn)給速度試驗(yàn)。最后利用MATLAB 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在三種半徑圓弧軌跡下，反向尖角數(shù)值與進(jìn)給速度關(guān)系曲線如圖5～圖7 所示。

圖5 半徑R=10mm

圖6 半徑R=30mm

圖7 半徑R=50mm

結(jié)果顯示圓軌跡半徑相同，進(jìn)給速度不同時(shí)的圓軌跡形狀相似;進(jìn)給速度相同，半徑不同時(shí)的圓軌跡形狀也是相似的，只是反向尖峰的數(shù)值有所變化。因此，驗(yàn)證了反向尖峰的數(shù)值除了與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)本身有關(guān)外，還與進(jìn)給速度及圓軌跡半徑有關(guān)。

6 結(jié)論

(1)半徑R相同，進(jìn)給速度F越大，逆時(shí)針和順時(shí)針?biāo)蟹聪蚣饨菙?shù)值都越大;

(2)半徑R相同，F(xiàn)≤1m/min 時(shí)，尖角數(shù)值在5μm以內(nèi)，即單面誤差在5μm 內(nèi)，精度在此加工中心正常加工工件誤差范圍內(nèi)，不需要對(duì)此點(diǎn)尖角進(jìn)行補(bǔ)償;F＞1m/min 時(shí)，尖角數(shù)值超過5μm，即單面誤差超出5μm，此加工中心加工工件誤差過大，需要對(duì)此點(diǎn)尖角進(jìn)行補(bǔ)償;

(3)進(jìn)給速度F相同，半徑R越大，逆時(shí)針和順時(shí)針?biāo)蟹聪蚣饨菙?shù)值均減小;

(4)進(jìn)給速度F增大同時(shí)半徑R也增大時(shí)，逆時(shí)針和順時(shí)針?biāo)蟹聪蚣饨菙?shù)值減小。

綜上所述，此加工中心在半徑R≥30mm，F(xiàn)≤1.5m/min 時(shí)，反向尖角的數(shù)值在5μm 之內(nèi)，機(jī)床的幾何誤差最小，幾何精度最高。對(duì)于尖角數(shù)值較大，影響到工件的加工精度，即幾何誤差過大，達(dá)不到精度要求時(shí)，就需要對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

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