球桿儀對數控機床精度檢測分析

趙艷妮

摘要： 數控機床是一種高精度工業加工母機，為了保證數控機床的高精度，需要使用檢測儀器進行精度檢測與校正，本文講述使用雷尼紹球桿儀對數控機床的精度檢測及結果分析。

Abstract： CNC machine is a kind of high precision industrial processing tools. In order to ensure the high precision CNC machine tools， it needs to use the instrument of detection for precision detection and correction. This paper describes the use of Renishaw ballbar on CNC machine tool accuracy testing and results analysis.

關鍵詞： 球桿儀；數控機床；精度檢測；分析

Key words： Renishaw ballbar；CNC machine tool；precision detection；analysis

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）06-0158-02

0 引言

現代數控機床發展強調高轉速、高進給率及具有高精密的切削加工，但常常由于機床制造間隙及使用過程中的一些問題會引起精度上的誤差，因此我們在機床使用過程中我們常常就要用到球桿儀對數控機床精度進行檢測。球桿儀能快速、方便、經濟地評價和診斷數控機床動態精度，適用于各種數控機床和立臥式加工中心等。本文將對球桿儀對數控機床檢測過程中經常出現的誤差進行分析并提出解決方案。

1 反向間隙-負值（機器誤差）

1.1 案例介紹

圖1所示， 有沿某軸線開始向圖形中心內凹的臺階，隨著機器進給率的變化，并不會影響負值反向間隙的大小。本圖中只在Y軸上顯示有負值反向間隙。

按反向間隙-正值所述同一方法進行各種類型的反向間隙。并且，依據已知的負值可快速的獲取負值反向間隙。例如：臺階大小 （μm）

本例中，在Y軸正負兩個方向都存在大小一致為-14.2μm的負值反向間隙或失動量。在這種情況下，機器上負值反向間隙會受到一定影響，具體的外在表現形式為圓弧插補的刀具軌跡將出現一向內凹的跳躍。

1.2 原因分析

①機器的導軌中可能存在間隙，使得機器一旦被驅動換向，就在運動中跳躍。②若機器的原有反向間隙不符合標準，應對其進行一定補償，若反向間隙補償的數值過大，就會造成具有正值反向間隙問題的機器出現負值反向間隙。③若編碼器存在遲滯現象，機器會受到不利影響。

1.3 解決方案

①檢查數控系統反向間隙補償參數設置是否存在異常；②更換已經出現磨損的機器零件；③檢查是否存在編碼器遲滯現象，并觀察機器是否因此受到不利影響；④參見正值反向間隙或不等值反向間隙。

2 反向間隙-正值（機器誤差）

2.1 案例介紹

圖2所示，沿某軸線開始有一個沿圖形中心外凸的臺階或數個臺階，隨著機器進給率的變化，并不會影響負值反向間隙的大小。在本圖中，只在Y軸上顯示有正值反向間隙。

X軸及Y軸的反向間隙按下述格式進行：反向間隙（μm）

在本案例中，Y軸正負軸雙方向都存在正值反向間隙或失動量，且兩者大小一致，都為-14.2 μm。正值反向間隙顯示量化結果為正值，對應其它類型的反向間隙。在這種形勢下，在機器上正值反向間隙的影響為圓弧插補的刀具軌跡將出現一短平臺。

2.2 原因分析

①若機器的驅動系統中存在間隙，可能是由于滾珠螺桿端部浮動或驅動螺帽磨損造成的；

②若機器在被驅動換向時出現運動的停頓，可能會造成機器的導軌中存在間隙；

③結合反向間隙-不等值，若出現螺桿扭轉問題，可能是由于滾珠螺桿預緊力過大帶來的過度應力造成的。

2.3 解決方案

①通過更換磨損的機器零件將機器導軌的間隙去除；

②若需要對機器中存在的反向間隙進行補償，可采取數控系統反向間隙補償參數來設置；

③FANUC系統可使用參數1851對反向間隙進行

補償。

3 反向間隙-不等值（機器誤差）

3.1 案例介紹

圖3表現出在某軸上雙向不等大小的反向間隙，或在具備反向間隙補償功能的機器上的某軸上雙向甚至出現相反符號的反向間隙。在本圖中僅在Y軸上顯示有不等值反向間隙。

各種反向間隙均如正值反向間隙所述以相同方式，在同一軸的正負方向可能出現很大的數值差，或在同一軸的正負方向出現正值和負值反向間隙。

3.2 原因分析

由于滾珠螺桿中過大扭曲而引起反向間隙的影響，它相對該軸滾珠螺桿驅動端的不同位置而引起不等值反向間隙類型的圖形。可以在具有反向間隙補償的機器上將該差異調整均化，導致在該軸出現相對臺階。該扭曲可能由于螺桿磨損、螺帽損壞及導軌磨損，這種類型的反向間隙若出現在立軸運動測試中，多半可能為平衡的影響。這樣對加工帶來的影響是，在軸的不同部位，機器加工零件的誤差幅度有所不同。endprint

3.3 解決方案

①將作用在機器的所有反向間隙補償值去除，讓機器的問題徹底的暴露出來。

②若機器的滾珠螺桿或導軌存在磨損問題，應對其進行維修或更換。

③若在測試中發現不等值反向間隙圖，問題的關鍵可能就在平衡零件，應針對此采取有效應對措施。

4 機床X-Y軸的垂直度（機器誤差）

4.1 案例介紹

如圖4所示具有橢圓或花生形狀，沿45度或135度對角拉伸變形，在順時針和逆時針方向測試時軸的拉伸方向相同。拉伸量不受進給率的影響。參見伺服不匹配。

垂直度誤差按下述格式進行：垂直度 25.3 μm/m。

該值表示在測試平面內兩軸間小于90度的夾角。該值表示垂直度誤差，理論上兩軸應相互完全垂直。若兩軸正向夾角小于90度，垂直度誤差為負值；若兩軸正向夾角大于90度，垂直度誤差為正值。在這些情形下得到的圖形如圖4所示，診斷軟件顯示的垂直度值為 q。垂直度誤差對機器加工工件的影響是會使其表面間不垂直。

4.2 原因分析

①垂直度誤差是指在機器測試部位機器的X軸和Y軸相互間不為90度，兩軸有局部彎曲或機器軸整體未調直。②某些部位不直，可能是由于機器軸剛性不夠造成的；③機器在運動時在軸中有一定間隙，可能是由于機器導軌過度磨損造成的。

4.3 解決方案

①在機器的各部位重復測試，分析垂直度誤差對機器造成的影響是局部的還是整臺，若誤差只影響到了局部，在加工時盡量選擇未受影響的部位即可。②若誤差影響到了整臺機器，應重新調整機器軸，必要的情況下還需要更換磨損零件。

5 結語

隨著數控機床使用，各機械部件會損耗，精度會下降，為了保證機床加工精度，使用球桿儀對其精度進行檢測，并通過參數補償或機械備件更換予以修復。

參考文獻：

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