某臥式數(shù)控車(chē)床圓軌跡精度測(cè)試與分析

譚 智，馬曉波，曹 鐸

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

目前隨著數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)的突飛猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)的需求量及技術(shù)要求也隨之越來(lái)越高；如何能在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，最大限度地降低制造成本、縮短交貨周期、并且保證機(jī)床的精度，因此急需先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備及精度優(yōu)化的流程手段[1]。在影響機(jī)床加工精度的因素中，起支配作用的是運(yùn)動(dòng)精度。了解掌握機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)于精密加工而言不可或缺。如果構(gòu)成機(jī)床設(shè)備的各零部件的尺寸、形狀精度低，則機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度差。另外，安裝與調(diào)整控制系統(tǒng)等對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度也有影響[2]。本文將以球桿儀這一高效、便捷的測(cè)量?jī)x器來(lái)對(duì)某臥式數(shù)控車(chē)床進(jìn)行圓軌跡精度測(cè)試與分析。

1 球桿儀誤差測(cè)量原理

1.1 球桿儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

圖1 球桿儀構(gòu)造圖

英國(guó)Renishaw公司生產(chǎn)的QC20球桿儀是一種快速檢測(cè)機(jī)床性能的精密儀器，具體的構(gòu)造如圖1所示，球桿儀的傳感器是球桿儀系統(tǒng)的主要部件，是一個(gè)精密的線(xiàn)性傳感器，能夠精確測(cè)出在球桿標(biāo)稱(chēng)(100 mm)長(zhǎng)度±1 mm行程內(nèi)的伸縮量。此傳感器可提供電子信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)處理后與計(jì)算機(jī)無(wú)線(xiàn)通訊。這允許Ballbar 20軟件對(duì)傳感器名義長(zhǎng)度上的微小變化進(jìn)行測(cè)量和分析。

1.2 球桿儀的測(cè)試原理

用球桿儀進(jìn)行誤差測(cè)量，設(shè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O(0,0)為車(chē)床主軸軸桿上球座的中心，P(x,z)為刀架臂球心的名義坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置P(x,z)時(shí)，設(shè)機(jī)床的實(shí)際位置為P'(x',z')。則機(jī)床的空間誤差可用這兩個(gè)坐標(biāo)表示如下：

式中?x、?z為P的位移誤差。當(dāng)存在誤差?x、?z時(shí)，有下式成立。

這里R為OP的理想距離，忽略二階以上的高次誤差項(xiàng)，考慮R2=x2+z2，由式（2）得：

由z=Rcosθ，x=Rsinθ，可以得到：

式（4）表示點(diǎn)P處的定位和球桿儀半徑誤差的關(guān)系。該式是球桿儀測(cè)量裝置的基本方程式，反映了測(cè)量結(jié)果與誤差矢量之間的關(guān)系。測(cè)量所有的?R，做出圓度誤差曲線(xiàn)，可以綜合反映出機(jī)床部件相互幾何關(guān)系等因素。

2 測(cè)試內(nèi)容及過(guò)程

針對(duì)數(shù)控車(chē)床進(jìn)行球桿儀圓弧插補(bǔ)測(cè)試的總體測(cè)試流程如圖2。

①先預(yù)熱機(jī)床：使機(jī)床以測(cè)試速度運(yùn)行半個(gè)小時(shí)，讓機(jī)床進(jìn)行充分的潤(rùn)滑與熱機(jī)；②再確定測(cè)試半徑：按照測(cè)試需求及機(jī)床行程選擇測(cè)量半徑；③對(duì)程序進(jìn)行預(yù)運(yùn)行：按照選定的半徑、速度進(jìn)行程序預(yù)運(yùn)行，確保測(cè)試程序沒(méi)有問(wèn)題；④確保球桿儀連接：連接球桿儀，包括電源、傳感器、球座，將球桿儀鏈接到機(jī)床，準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；⑤執(zhí)行測(cè)試：在測(cè)試程序通過(guò)預(yù)運(yùn)行后，開(kāi)始執(zhí)行測(cè)試；⑥數(shù)據(jù)診斷：對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行診斷，明確各軸的位置誤差，角度誤差，直線(xiàn)度，垂直度，以及比例誤差，周期誤差等誤差項(xiàng)的排序。

⑦參數(shù)優(yōu)化：在數(shù)據(jù)診斷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化；⑧結(jié)果驗(yàn)證：在優(yōu)化后對(duì)再次執(zhí)行測(cè)試，如測(cè)試結(jié)果不理想，再次執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化步驟以獲得更好的優(yōu)化效果。

圖2 測(cè)試流程圖

分 別 以500mm/min、1500mm/min、3000mm/min進(jìn)給速度，100mm為半徑在XZ面內(nèi)進(jìn)行圓軌跡測(cè)試，獲得圓度軌跡誤差值。

3 測(cè)試結(jié)論

以下為3000mm/min進(jìn)給速度的測(cè)試結(jié)果，經(jīng)測(cè)試圓度為9.5um。

表1 誤差及診斷表格單位：um

4 反向躍沖X 2.2 14% 2 5 橫向間隙Z 0.8 5% 10 6 橫向間隙X 0.3 2% 13 7 周期誤差Z 2.5 15% 1 8 周期誤差X 1.9 11% 4 9 伺服不匹配 1 6% 8 10 垂直度 1.5 9% 5 11 直線(xiàn)度Z 0.9 5% 9 12 直線(xiàn)度X 1.0 6% 7 13 比例不匹配 0.4 3% 12

圖3 測(cè)試結(jié)果

該臺(tái)臥式車(chē)床經(jīng)測(cè)試，Z方向的周期誤差、X方向的反向躍沖、Z方向的反向間隙是誤差占比最高的三項(xiàng)。利用球桿儀對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)是一種效率高操作簡(jiǎn)單而且測(cè)量結(jié)果具有較高可信度的實(shí)用方法，同時(shí)還可以通過(guò)故障診斷數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，找出故障問(wèn)題，可以顯著提高數(shù)控機(jī)床的圓弧插補(bǔ)精度。

[1]王樹(shù)杰．方便快捷的數(shù)控機(jī)床檢測(cè)儀器——QC10球桿儀[J]．設(shè)備管理與維修,2005,10：26-27

[2]垣野義昭．基于球桿儀的數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)方法[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社,2011