基于激光干涉儀機床位置精度檢測準確性的分析

李志宏，吳清鋒，曾愛平，成綿龍

(廣東產品質量監督檢驗研究院國家機械產品安全質量監督檢驗中心，廣東佛山 528300)

數控機床 (包括加工中心)是一種應用非常廣泛的加工裝備，精度非常高，一般都是微米級的，其中定位精度和重復定位精度是反映數控機床位置精度的兩個關鍵指標。目前業內對該兩項指標大多采用激光干涉儀進行檢測，試驗方法按國家標準GB/T17421.2-2000《機床檢驗通則 第2部分:數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》進行，該標準在技術內容上與ISO230-2:1997《數字控制機床位置精度的評定方法》一致。盡管檢測設備和方法標準都達到國際先進水平，不同的制造廠或者第三方檢測機構在檢測同一臺數控機床時卻時常得出不同甚至差異較大的精度結果。作者通過對同一臺立式加工中心進行一系列試驗，分析了影響機床數控精度檢測準確性的因素。

1 數控機床伺服進給控制系統分類

進給伺服系統按期控制方式不同，可分為開環系統和閉環系統。根據位置檢測裝置安裝位置不同，閉環系統又分為半閉環系統、全閉環系統［1］，如圖1所示。

圖1 數控機床控制結構圖［2］

1.1 開環控制［2］

開環控制系統無位置反饋裝置，使用步進電動機(包括電液脈沖馬達)作為伺服執行元件是其最明顯的特點。在開環控制系統中，數控裝置輸出的脈沖控制步進電動機的角位移，步進電動機再經過減速裝置(或直接連接)帶動絲杠旋轉，通過絲杠將角位移轉換為移動部件的直線位移，控制步進電動機的轉角，就可以間接控制移動部件的位移量，見圖1(a)。因系統對移動部件的實際位移量不進行檢測，也就無法通過反饋自動進行誤差檢測和校正，因此開環控制僅適用于加工精度要求不高、負載較輕且變化不大的簡易、經濟型數控機床上。

1.2 半閉環控制［2］

半閉環控制數控機床的特點是:機床的傳動絲杠或伺服電動機上裝有角位移檢測裝置 (如光電編碼器)，通過它可以檢測電動機或絲杠的轉角，因伺服電動機和絲杠相連，通過絲杠可以將旋轉運動轉換為移動部件的直線位移，從而間接地檢測了移動部件的位移，見圖1(b)、(c)。角位移信號被反饋到數控裝置或伺服驅動中，實現了從位置給定到電動機輸出轉角間的閉環自動調節。因這種結構只對電動機或絲杠的角位移進行閉環控制，沒有實現對最終輸出的直線位移的閉環控制，故稱為“半閉環”控制系統。對于這種系統，位置檢測單位和實際最小移動單位間的匹配，可以通過數控系統的參數 (通常被稱為“電子齒輪比”)進行設置。由于機械傳動部件未全在位置控制環內，相比全閉環控制系統，控制精度要差些，但它具有傳動系統簡單、結構緊湊、制造成本低、性能價格比高等特點，從而在數控機床上得到了廣泛應用。

1.3 全閉環控制［2］

全閉環系統的位置檢測裝置 (如光柵尺、直線感應同步器等)安裝在機床運動部件 (如工作臺)上，機械傳動部件整個被包括在位置控制環內，見圖1(d)，因而控制精度高?；陂]環控制系統的工作特點，它對機械結構以及傳動系統的要求比半閉環更高，傳動系統的剛度、間隙、導軌的爬行等各種非線性因素將直接影響系統的穩定性，嚴重時甚至產生振蕩，故必須綜合考慮機電部件的結構參數才能滿足系統的要求。因此全閉環系統對機電的要求比較高，且造價昂貴。

鑒于國內市場使用半閉環控制系統的數控機床應用最為廣泛，此次試驗選擇這類設備作為研究對象。

2 測試部分

2.1 被試機床及測量儀器

測試樣機為一臺型號為VMC850的立式加工中心，主要參數如下:X、Y、Z軸行程分別為800、550、500 mm，工作臺尺寸為550 mm×1 000 mm(寬×長)，見圖2。

圖2 被試機床外形

Renishaw XL80激光干涉儀 (英國雷尼紹)，線性測量距離 40 m，精度 ±0.5×10－6，分辨率為0.1 μm。

2.2 測試條件

(1)機床測試前放置10 h，調整激光干涉儀光路，之后再繼續放置15 h;測試前不進行升溫操作;

(2)材料傳感器和空氣傳感器各1個，放置在工作臺面上 (具體位置見圖3)，用于采集工作臺表面溫度和環境溫度;用分度值為0.1℃的溫度計直接采集絲桿表面的溫度;

圖3 材料傳感器和空氣傳感器放置位置

(3)氣壓101.2 kPa，空氣濕度87%;

(4)不使用機內補償程序。

2.3 測試參數

此次試驗采用GB/T17421.2-2000中規定的標準檢驗循環開展測量，與測試相關的參數選擇見表1。

表1 測試相關參數說明

首先選擇滾珠絲桿熱膨脹系數為11.7 μm/(m·℃)，連續測量10次，改為10.6 μm/(m·℃)后再連續測量2次，最后在X軸700 mm行程范圍內快速往復空運行10 min進行升溫操作，設置膨脹系數為11.7 μm/(m·℃)再測量1次，共13次循環式測量。

3 結果與分析

13次循環式測量結果見表2。

表2 位置精度測試結果

3.1 機床絲桿副熱穩定狀態的影響

從表2和圖4看到，機床從冷態開始連續測量至第7次，其定位精度變化很大，直至第8～10次時，才穩定在27 μm左右。這表明，如果檢測前沒有進行升溫運轉，機床需要連續測量多次才能獲得一個穩定的測量結果。因每次測量時的程序相同，唯一不同的是測量過程中絲桿副運轉導致每次測量時的溫度各異，直至從第8次開始，絲桿溫度才趨于穩定 (30.8℃左右，見表2)，測量結果也就趨于穩定。這說明機床熱狀態不穩定時，測量結果是不穩定的。為了消除熱狀態對測量結果的影響，GB/T17421.2第3.3條規定:“連續地趨近任一特定的目標位置時，若偏差成一有序序列，應考慮到熱狀態尚不穩定，則應通過升溫運轉使這些趨勢減至最低限度”。此次試驗在檢驗前雖然沒有進行快速升溫運轉，但連續多次的檢測過程中也能使機床絲桿趨于熱穩定狀態 (但約需1 h的時間)。

圖4 精度檢測結果的數據點折線圖 (不含第13次測量結果)

半閉環控制系統是通過控制絲桿轉角來間接控制工作臺移動距離的，而激光干涉儀測量的是工作臺移動距離，因此，為了準確評價機床的位置精度，必須確保在整個檢測過程中，絲桿轉角與工作臺移動距離的匹配關系不能發生變化，或者說該匹配關系必須與控制系統的“電子齒輪比”保持一致。實際上，在從機床冷態開始檢測時，絲桿的運轉會導致其溫度逐漸升高而發生熱變形，絲桿轉角與工作臺移動距離間的對應關系會不斷發生變化，因此在絲桿溫度未達到熱穩定狀態前所檢測的精度是不穩定的，也是不準確的。而閉環控制系統由于用位移傳感器直接控制工作臺移動距離，絲桿溫度穩定性對檢測精度的影響就比較小。

從國家標準的規定、控制系統的原理和此次試驗的結果看，為了獲得穩定的測量結果，必須使機床絲桿副處于熱穩定狀態，該狀態可通過檢驗前的升溫運轉或多次的連續測量獲得。由于從機床冷態至連續測量獲得熱穩定狀態所花時間較長，從檢測效率角度考慮，檢驗前進行適當的升溫運轉也許更實際，但升溫運轉的速度、時間要針對不同的機床反復進行多次試驗才能確定，一旦確定，就可作為經驗數據，這對機床制造廠尤為必要 (目前業內大多讓機床運動部件快速運轉3～5個來回就開始檢測，嚴格來說是不夠嚴謹的)。從表2可看到:機床熱穩定狀態下經10 min連續快速空運轉后再檢測時，定位精度從27 μm猛升至84 μm，表明過度的升溫運轉對檢測結果造成的影響是很大的;此外，連續快速空運轉10 min后，絲桿溫度升高了1.9℃，而工作臺僅升高了0.4℃，因此，以工作臺表面實測溫度去判斷機床熱狀態是否穩定也是不可靠的。

3.2 檢測元件熱膨脹系數的影響

從表2和圖4看到:在連續測量10次、定位精度結果趨于穩定情況下，把滾珠絲杠的熱膨脹系數從11.7改為10.6 μm/(m·℃)，則定位精度下降約5 μm。GB/T17421.2第3.1條規定:“應該注意，任何與20℃的溫差均可對有效膨脹系數下的不確定度產生一個附加不確定度，而有效膨脹系數是供補償用的，因此在檢驗報告中應記錄實際的溫度，供方/制造廠應提供軸線定位系統的有效膨脹系數”。不同的材料有不同的熱膨脹系數，鑒于該系數對測量結果的影響，用戶或技術機構檢測時應索取供方/制造廠提供的有效膨脹系數，不能按經驗隨意選取。

3.3 測量儀器傳感器放置位置的影響

GB/T17421.2第3.1條規定:“最為理想是使測量儀器和被檢對象處于20℃的環境下進行檢測，如不在20℃下檢測，則必須修正軸線定位系統和檢測設備間的名義差脹 (NDE)，以獲得修正到20℃的檢測結果，在這種情況下，需要測量機床定位系統和檢測設備的代表性部位的溫度”。為了獲得準確的NDE修正效果，最理想的是把激光干涉儀的溫度傳感器放置在絲桿上，但實際檢測時不太容易做到。供方/制造廠在產品出廠前一般把傳感器放置在最靠近絲桿副的工作臺表面進行精度檢測并進行調試、精度補償，因此其他相關方對該機床進行檢測時也放在相同的位置最為理想。由于絲杠與工作臺不為一體，從表1看到，絲杠發熱程度與工作臺不同步，絲桿達到熱穩定狀態時，工作臺表面溫度與之相差1℃左右，因工作臺面積遠大于作為“發熱體”絲桿的面積，工作臺表面的溫度是不均勻的，為了獲得與供方/制造廠一致的補償效果，其他相關方檢測時最好索取當初調試機床時傳感器放置位置的信息。

4 小結

國家標準GB/T17421.2-2000雖然規定了詳細的數控軸線的定位精度和重復定位精度的檢測方法，但同時也要求檢測前須確認很多條件，機床評價方必須予以重視和落實才能獲得準確的測量結果。從標準的要求和此次試驗結果看，為了準確測量半閉環伺服控制系統數控機床的位置精度，至少應關注如下兩個方面:

(1)適當的升溫條件比如循環次數、空運轉時間、進給速度等，必須在檢測前確定好，保證把因機床熱狀態不穩定對測量結果造成的影響降至最低。如果不能獲得合適的升溫條件數據，則檢驗前不能憑經驗隨意進行升溫，最好從冷態開始連續進行多次測量，直至獲得穩定的測量結果為止。

(2)目前NDE修正的方法主要采用激光干涉儀的溫度傳感器配件進行補償，補償的效果取決于材料傳感器的數量、放置位置以及選定的絲杠有效熱膨脹系數。為了獲取較好的補償效果，建議使用兩件材料傳感器并放置在供方調試機床時的位置進行測量，同時要選擇供方提供的熱膨脹系數。

［1］王愛玲，白恩遠，趙學良，等.現代數控機床［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［2］龔仲華.數控機床故障診斷與維修500例［M］.北京:機械工業出版社，2004.