數(shù)控機(jī)床位置精度檢測及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫江宏, 李 剛, 潘尚峰, 張玉杰, 劉國慶

(1. 北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 北京 100192； 2. 清華大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所, 北京 100084)

數(shù)控機(jī)床是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要裝備,其位置精度是機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1],為了準(zhǔn)確把握數(shù)控機(jī)床的性能,有必要對數(shù)控機(jī)床位置精度進(jìn)行檢測,而傳統(tǒng)的量規(guī)、百分表等量具已無法滿足先進(jìn)機(jī)床的精度檢驗(yàn)要求[2]。激光干涉儀由于檢測精度高、速度快、無接觸等特點(diǎn),常用于數(shù)控機(jī)床位置精度的精密測量[3-5]。使用激光干涉儀可準(zhǔn)確而方便地測量數(shù)控機(jī)床直線移動(dòng)部件的位置精度和定位精度,而且不受移動(dòng)距離的限制。配合數(shù)據(jù)處理和誤差補(bǔ)償,可快速獲得符合國家檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果,應(yīng)用日趨廣泛。該項(xiàng)技術(shù)已逐漸成為高端數(shù)控機(jī)床精度檢測驗(yàn)收的首選手段[6-10]。

我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的裝備制造及自動(dòng)化課程,意在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題、獨(dú)立工作的能力和創(chuàng)新意識(shí),提高學(xué)生在知識(shí)交叉融合、批判性思維、終身學(xué)習(xí)等方面的綜合素質(zhì),從而提升應(yīng)用型本科專業(yè)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量[11-12]。加工中心幾何精度檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是核心實(shí)驗(yàn)之一。但在教學(xué)過程中,由于采用傳統(tǒng)純機(jī)械式儀器儀表測試各參數(shù)、手工記錄實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的模式,效率低,精度差,周期長,同步性差[13],不利于快速提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力,無法與“中國制造2025”的要求相匹配。為此,我們開始進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重新搭建,要求學(xué)生使用激光干涉儀來測量數(shù)控機(jī)床位置精度，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理,提高學(xué)生對先進(jìn)測量手段的認(rèn)知、先進(jìn)工具的使用以及對未知領(lǐng)域的探索能力,培養(yǎng)高素質(zhì)的數(shù)控人才隊(duì)伍。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案

本實(shí)驗(yàn)的測試對象選用的是數(shù)控落地鏜銑床。該機(jī)床是一種鏜軸移動(dòng)型的機(jī)電液一體化數(shù)控機(jī)床,具有立柱移動(dòng)(X軸)、主軸箱移動(dòng)(Y軸)、滑枕移動(dòng)(Z軸)、鏜桿移動(dòng)(W軸)4個(gè)直線數(shù)控坐標(biāo)軸和1個(gè)數(shù)控主軸,見圖1。在進(jìn)行測試時(shí),需要對每個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定。

圖1 落地鏜銑床坐標(biāo)定義

檢測平臺(tái)采用Renishaw XL-30激光干涉儀,主要由XL-30激光頭、XC-30環(huán)境補(bǔ)償單元、光學(xué)鏡安裝組件等組成,如圖2所示,其中XL-30激光頭用來發(fā)射和接收激光；XC-30環(huán)境補(bǔ)償單元是XL系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵,它有一個(gè)處理源讀數(shù)的“智能型傳感器”,可準(zhǔn)確地測量空氣溫度、空氣壓力和相對濕度；光學(xué)鏡安裝組件包括1只分光鏡,2只反射鏡和2只靶子。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中無需傳統(tǒng)測量儀器及記錄數(shù)據(jù),僅需要使用PC端即可完成全部數(shù)據(jù)處理。

圖2 檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2 激光干涉儀的實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)使用激光干涉儀測定各個(gè)數(shù)控軸的線性移動(dòng)距離,進(jìn)而計(jì)算位置精度。激光干涉儀以激光波長已知、利用邁克耳孫干涉系統(tǒng)測量位移。激光干涉儀水平軸(X、W軸)線性測量原理如圖3所示,來自XL-30激光頭的光束進(jìn)入線性干涉鏡,在此光束被分成兩束。一束光(稱為參考光束)被引向裝在分光鏡上的反射鏡,另一束光(測量光束)則穿過分光鏡到達(dá)第二個(gè)反射鏡；然后兩束光都被反射回分光鏡,在此它們重新組合并被導(dǎo)回到激光頭,激光頭內(nèi)的探測器監(jiān)測兩束光之間的干涉,從而計(jì)算移動(dòng)距離。垂直軸的測量原理與水平軸相同,如圖4所示。

圖3 激光干涉儀水平軸測量原理

圖4 激光干涉儀垂直軸測試原理

在線性測量過程中,一個(gè)光學(xué)組件保持靜止不動(dòng),另一個(gè)光學(xué)組件沿線性軸移動(dòng)。通過監(jiān)測測量光束和參考光束之間的光路差異的變化,產(chǎn)生定位精度測量值(它是兩個(gè)光學(xué)組件之間的差異測量值,與XL-30激光頭的位置無關(guān))。此測量值可以與被測機(jī)器定位系統(tǒng)上的讀數(shù)比較,獲得機(jī)器的精度誤差。通常,將反射鏡設(shè)定為移動(dòng)光學(xué)部件,將干涉鏡設(shè)定為靜止部件。二者可以反過來,但是最大測量距離將從40 m縮短為15 m。因此,在長軸(X、Y軸)上測量時(shí),通常線性干涉鏡靜止不動(dòng),而另一個(gè)反射鏡移動(dòng),比如Y軸測量；在短軸上測量時(shí),它們可以反置,如W軸測量。

3 數(shù)據(jù)分析依據(jù)

根據(jù)GB/T17421.2—2000《數(shù)控檢驗(yàn)通則 第2部分:數(shù)控軸線定位精度和重復(fù)定位精度的確定》的要求,進(jìn)行數(shù)據(jù)測量與處理。由于軸線的線行程都大于1 000 mm,所以在位置精度測量時(shí),每個(gè)軸線均勻選取11個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試,如圖5所示,每個(gè)點(diǎn)雙向趨近5次。關(guān)鍵位置精度指標(biāo)的計(jì)算如式(1)—(5)所示,該計(jì)算公式為后面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供理論依據(jù)。

圖5 檢驗(yàn)循環(huán)圖

某一位置單向平均位置偏差為:

(1)

(2)

某一位置單向標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(3)

(4)

直線雙向定位精度為:

(5)

式中,Xij表示在某一點(diǎn)的定位偏差；↑表示正向運(yùn)動(dòng),↓表示反向運(yùn)動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)測試步驟

以Y軸位置精度的測量為例說明如下：

(1) 如圖2所示搭建測試平臺(tái),儀器擺放位置如圖6所示；

(2) 開動(dòng)機(jī)床,沿Y軸向上移動(dòng),使反射鏡離開干涉鏡；

(3) 繼續(xù)移動(dòng),直到看見光束開始從XL激光頭上的標(biāo)靶處移開,當(dāng)光束到達(dá)標(biāo)靶的邊緣,即停止移動(dòng)機(jī)床；

(4) 用XL-30激光頭背部的旋鈕調(diào)整俯仰,使兩束激光回到相同的高度上,如圖7(a)所示；

(5) 使用三腳架中心軸上的三腳架高度調(diào)整輪,上下移動(dòng)激光頭,使兩束激光射到標(biāo)靶的中心,如圖7(b)所示；

(6) 使用三腳架平臺(tái)左側(cè)后面的小旋鈕,調(diào)整激光頭的扭擺,使兩束激光一左一右地排列,如圖7(c)所示；

(7) 使用三腳架平臺(tái)左側(cè)中間的大旋鈕,水平平移激光,使兩束激光都射到標(biāo)靶的中心,如圖7(d)所示；

(8) 繼續(xù)開動(dòng)機(jī)床沿運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng),若激光光束開始離開標(biāo)靶時(shí),停止移動(dòng)機(jī)床,重復(fù)步驟4中的激光準(zhǔn)直,當(dāng)?shù)竭_(dá)軸末端時(shí),讓機(jī)床回轉(zhuǎn),使反向反射鏡和線性反射鏡靠在一起；

(9) 重復(fù)以上步驟,直到在整個(gè)軸行程上兩束激光都保持在標(biāo)靶中心；

(10) 啟動(dòng)環(huán)境補(bǔ)償,確保在軟件中輸入正確的材料膨脹系數(shù),最后進(jìn)行采集線性數(shù)據(jù)。

圖6 激光干涉儀擺放位置

圖7 線性干涉鏡和反射鏡定位

在實(shí)驗(yàn)中要注意以下事項(xiàng):

(1) 確保待校準(zhǔn)機(jī)床已經(jīng)進(jìn)行充分的暖機(jī)運(yùn)行,以預(yù)熱驅(qū)動(dòng)裝置和待校準(zhǔn)軸的定位系統(tǒng)。

(2) 不要讓光束直射或者通過光學(xué)元件或任何其他反射面反射到任何人的眼睛。

(3) 必須通過設(shè)定激光頭的基準(zhǔn)來消除光線阻擋誤差。

5 測試結(jié)果及分析結(jié)論

在測量軸線各段的位置精度之前,首先對該軸所處環(huán)境進(jìn)行測量,結(jié)果見表1。對落地鏜銑床Y軸整體位置精度進(jìn)行測量,結(jié)果見表2。最后利用廠家提供的LaserXLTM軟件,通過激光干涉儀對選取的11個(gè)點(diǎn)逐個(gè)測量,并上傳數(shù)據(jù),如圖8所示；得到相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果分析曲線,如圖9所示。

表1 某型落地鏜銑床Y軸位置精度測試環(huán)境數(shù)據(jù)

表2 某型落地鏜銑床位置精度測試結(jié)果 μm

圖8 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圖9 測試結(jié)果分析曲線

通過對測量數(shù)據(jù)的分析可知,Y軸誤差分布呈現(xiàn)“臺(tái)階形”,位置誤差沿軸線方向按一定間隔出現(xiàn)或上或下的誤差。其原因可初步確定為由于重型落地鏜銑床的齒條是由多段小齒條組成,各段齒條對準(zhǔn)不佳或裝配不佳；或者是光柵尺或同步感應(yīng)器分段對準(zhǔn)不佳或裝配不佳。對于后者,可以通過調(diào)整激光干涉儀的位姿以及裝配關(guān)系來加以避免。對于前者,可以通過檢修維護(hù)時(shí)使每段齒條都正確地與其他段對準(zhǔn),保證齒輪能夠平滑地從一段齒條平滑過渡到下一段齒條來解決。但是由于重型數(shù)控機(jī)床檢修困難,故采用數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)男问竭M(jìn)行。圖10中給出了數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償數(shù)據(jù),可以將對應(yīng)數(shù)值分段在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償后變化如下:

圖10 Y軸定位精度誤差補(bǔ)償圖表

(1) 每個(gè)點(diǎn)的誤差數(shù)值都有不同程度縮小；

(2) 總體趨勢沒變,但是相對誤差數(shù)值變小；

(3) 整體的定位精度提高。

6 總結(jié)

本文基于“加工中心幾何精度檢驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行檢測及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),使學(xué)生掌握激光干涉儀的基本原理和位置精度測量的方法和步驟,了解其在機(jī)床精度測量中的作用,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手、分析問題和解決問題的能力,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)數(shù)控機(jī)床的先進(jìn)測量手段。同時(shí),該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效地將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互銜接,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。