數(shù)控機(jī)床A/B擺角定位精度檢測(cè)方法研究

劉新宇

(北京航空制造工程研究所，北京100024)

0 引言

機(jī)床的動(dòng)態(tài)誤差主要包括定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是其實(shí)際位置對(duì)指令位置的一致性程度，大小用誤差表示，包括機(jī)械傳動(dòng)誤差和控制系統(tǒng)誤差。重復(fù)定位精度是定位精度的重復(fù)性，指在相同條件下，用同樣的方法，重復(fù)同樣的動(dòng)作時(shí)，控制對(duì)象位置的一致性［1］。對(duì)于數(shù)控機(jī)床A/B擺角而言，旋轉(zhuǎn)軸由于裝配、震動(dòng)、熱變形等因素影響，實(shí)際加工中的轉(zhuǎn)角與理論值也存在一個(gè)差值，以角度定位誤差(即擺動(dòng)的實(shí)際角度位置與指令角度位置的不一致量)來表示定位精度，以重復(fù)角度定位誤差(即在相同條件下，多次擺動(dòng)到同一角度位置的一致程度)來表示重復(fù)定位精度。

A/B擺角的主要結(jié)構(gòu)形式如圖1，一般來說，繞機(jī)床X軸旋轉(zhuǎn)的擺角定義為A擺，繞機(jī)床Y軸旋轉(zhuǎn)的擺角定義為B擺，A/B擺角檢測(cè)主要有以下幾種方法:光學(xué)自準(zhǔn)直儀-正多面棱體法;角擺檢查儀法;光學(xué)傾斜儀法等，

圖1 A/B擺角結(jié)構(gòu)形式

1 光學(xué)自準(zhǔn)直儀-正多面棱體法

光學(xué)自準(zhǔn)直儀-正多面棱體法是目前國(guó)內(nèi)測(cè)量擺角位置精度最常用的方法之一，其特點(diǎn)是正多面棱體必須安裝在擺角的回轉(zhuǎn)中心上，通過光學(xué)自準(zhǔn)直儀讀數(shù)可以反映當(dāng)前被測(cè)擺角的位置誤差。由于正多面棱體的工作面數(shù)是固定的(24面、36面等)，故不能測(cè)量任意步距角(步距角=360°/多面棱體工作面數(shù))的位置誤差。

調(diào)整光學(xué)自準(zhǔn)直儀與正多面棱體工作面的相互位置，準(zhǔn)直光路，使用當(dāng)前自準(zhǔn)直儀的讀數(shù)作為讀數(shù)零點(diǎn)，擺角旋轉(zhuǎn)一個(gè)或多個(gè)步距角，通過光學(xué)自準(zhǔn)直儀讀數(shù)，得到擺角當(dāng)前位置的角度誤差:

式中:θ1為當(dāng)前位置的角度偏差;i為測(cè)量位置，i=1，2，3，...;αi為擺角旋轉(zhuǎn)i個(gè)步距角時(shí)光學(xué)自準(zhǔn)直儀的讀數(shù);γ為擺角位于坐標(biāo)零位時(shí)光學(xué)自準(zhǔn)直儀的讀數(shù);δi為正多面棱體第i個(gè)面的修正值。以此類推，完成待測(cè)擺角全行程范圍內(nèi)的角度誤差檢測(cè)。

2 角擺檢查儀法

角擺檢查儀是一個(gè)專門用于測(cè)量機(jī)床擺角定位精度的高精度測(cè)量系統(tǒng)，主要有測(cè)量頭、控制電箱及電纜組成，測(cè)量頭內(nèi)裝有一個(gè)高精度圓光柵編碼器和一個(gè)電子水平儀，電子水平儀相對(duì)于測(cè)量頭殼的傾斜角度由伺服馬達(dá)控制，將兩個(gè)測(cè)量值結(jié)合起來，能夠計(jì)算出測(cè)量頭從任意一個(gè)開始位置轉(zhuǎn)過的相對(duì)角度。角擺檢查儀可以實(shí)現(xiàn)最小步距為0.0002°的角度的測(cè)量，測(cè)量精度可以達(dá)到2″，同時(shí)，需利用千分表確保角擺檢查儀底座外表面與機(jī)床軸線方向的平行度在0.1 mm范圍內(nèi)，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 光學(xué)傾斜儀法

光學(xué)傾斜儀法是一種功能擴(kuò)展性的測(cè)量方法，光學(xué)傾斜儀室一種基于水準(zhǔn)器原理的測(cè)量?jī)x器，主要用于機(jī)床臺(tái)面調(diào)整水平及測(cè)量大型結(jié)構(gòu)件相互之間夾角等。利用光學(xué)傾斜儀來測(cè)量機(jī)床的擺角定位精度，其測(cè)量原理為:將光學(xué)傾斜儀通過裝用夾具安裝在機(jī)床主軸上，如圖4所示，確保儀器度盤回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心平行，當(dāng)機(jī)床擺角處于零位時(shí)，調(diào)整傾斜儀水準(zhǔn)器，傾斜儀的讀數(shù)值為測(cè)量零點(diǎn)，當(dāng)機(jī)床擺角旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，再次調(diào)平傾斜儀水準(zhǔn)器，此時(shí)傾斜儀的讀數(shù)與第一次讀數(shù)之差，就是機(jī)床擺角的實(shí)測(cè)值，即

式中:θ1為當(dāng)前位置的角度偏差;i為測(cè)量位置，i=1，2，3，...;αi為擺角旋轉(zhuǎn)i個(gè)步距角時(shí)光學(xué)傾斜儀的讀數(shù);γ為擺角位于坐標(biāo)零位時(shí)光學(xué)傾斜儀儀的讀數(shù);λi為機(jī)床擺角旋轉(zhuǎn)i個(gè)步距位置時(shí)的目標(biāo)值。以此類推，完成待測(cè)擺角全行程范圍內(nèi)的角度誤差檢測(cè)。利用電子水平儀代替光學(xué)傾斜儀水準(zhǔn)器，在提高測(cè)量準(zhǔn)確性和重復(fù)性同時(shí)，可以大大提高測(cè)量效率。

4 測(cè)量結(jié)果分析

對(duì)定位精度的評(píng)定，不同國(guó)家和地區(qū)有著不同的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的定位精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要有:①德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI/DGQ 3441;②國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO230-2;③中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2-2000;④日本標(biāo)準(zhǔn)JISB6330;⑤美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NMTBA。上述標(biāo)準(zhǔn)中，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是最先問世、且最為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，本文將以德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)進(jìn)行介紹。

設(shè)Xij為目標(biāo)點(diǎn)Xj處第i次正向或反向趨近時(shí)的測(cè)量值，在目標(biāo)點(diǎn)Xj處正向或反向趨近時(shí)測(cè)量值的平均值為

在目標(biāo)點(diǎn)Xj處正向或反向趨近時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

在目標(biāo)點(diǎn)Xj處的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為

在目標(biāo)點(diǎn)Xj處的反向間隙誤差為

軸線上最大反向間隙誤差為

目標(biāo)點(diǎn)Xj處位置分散度為

軸線上最大位置分散度為

在目標(biāo)點(diǎn)Xj處與理論值的系統(tǒng)誤差為

軸線上位置偏差為

位置不可靠度為

5 測(cè)量實(shí)例

本文將以某大型五坐標(biāo)數(shù)據(jù)機(jī)床A擺角為研究對(duì)象，分別利用上述三種方法測(cè)量其實(shí)際位置誤差，以VDI/DGQ 3441標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定取定位精度、重復(fù)定位精度及反向誤差，并進(jìn)行測(cè)量結(jié)果比較。

某大型五坐標(biāo)數(shù)據(jù)機(jī)床B擺角的有效行程為±40°，采用步距為10°，雙向5次測(cè)量，得到測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法測(cè)量結(jié)果比較

由表1可以看出，利用三種不同方法得到的數(shù)據(jù)中，定位精度偏差為0.8″，重復(fù)定位精度偏差為0.3″，反向誤差偏差為0.2″，因此，三種不同測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)具有一定的一致性，均可以反應(yīng)該擺角的位置誤差狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果正確。

在實(shí)際擺角位置精度的測(cè)量過程中，應(yīng)根據(jù)擺角的實(shí)際運(yùn)動(dòng)形態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況合理選擇不同的方法進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量。

6 結(jié)束語

本文以五坐標(biāo)機(jī)床的擺角位置精度為研究對(duì)象，分別介紹了三種不同的測(cè)量機(jī)床擺角位置精度的方法，即:光學(xué)自準(zhǔn)直儀-正多面棱體法、角擺檢查儀法以及光學(xué)傾斜儀法，并詳細(xì)介紹了用于定位精度評(píng)定的德國(guó)VDI/DGQ 3441標(biāo)準(zhǔn)，最后利用三種不同的方法對(duì)同一擺角進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量記過進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)果的正確性，為五坐標(biāo)機(jī)床擺角及類似擺角位置精度的檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。

［1］李福生.實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:北京出版社，1993.