基于i5 系統(tǒng)的TD500A 鉆攻中心精度試驗(yàn)分析

陳 帥

（通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116600）

TD500A 立式鉆攻中心[1]是為適應(yīng)市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)研制的新一代鉆攻中心產(chǎn)品，該機(jī)床適用于小型零件批量加工，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)床身結(jié)構(gòu)、立柱結(jié)構(gòu)和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等，盡量減輕移動(dòng)部件重量，進(jìn)而達(dá)到更優(yōu)效果。i5 系統(tǒng)[2]被譽(yù)為“工業(yè)界的Android系統(tǒng)”因其操作編程簡(jiǎn)單方便，可進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等直接補(bǔ)償操作，因而得到廣泛應(yīng)用。

TD500A 機(jī)床帶有全封閉式防護(hù)罩、自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單便捷、宜人、整體造型美觀大方以及機(jī)電一體化程度高等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)床還可以選配數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，增加第四回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)臺(tái)在系統(tǒng)控制下能完成各種分度回轉(zhuǎn)工作，且回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上可安裝板、盤等其他形狀復(fù)雜的被加工零件，也可以利用與之配套的尾座、安裝棒和軸類等被加工零件，實(shí)現(xiàn)等分或不等分的孔、槽或者連續(xù)特殊曲面的加工，并能保證很高的加工精度。為了驗(yàn)證i5 系統(tǒng)應(yīng)用于該機(jī)床在精度方面的可靠性，選用雷尼紹激光干涉儀[3]對(duì)其定位精度及重復(fù)定位精度[4-7]等重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在大連機(jī)床數(shù)控技術(shù)應(yīng)用所試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)床用調(diào)平墊鐵調(diào)好水平，未用地腳螺釘固定，測(cè)試儀器選用經(jīng)國(guó)家指定計(jì)量部門檢定的雷尼紹激光干涉儀，機(jī)床潤(rùn)滑裝置按機(jī)床使用說(shuō)明書要求注入指定牌號(hào)潤(rùn)滑油和液壓油。整機(jī)效果如圖1 所示。

圖1 TD500A 立式鉆攻中心

2 線性軸定位精度和重復(fù)定位精度測(cè)量

2.1 試驗(yàn)步驟

（1）了解機(jī)床各軸行程，選擇機(jī)床任一軸進(jìn)行鏡頭架設(shè)，調(diào)整干涉鏡、反射鏡于合理位置。

（2）架設(shè)雷尼紹激光鏡頭，通過(guò)手輪方式移動(dòng)各個(gè)行程軸進(jìn)行對(duì)光校驗(yàn)，使激光設(shè)備達(dá)到最佳（5 個(gè)指示燈全亮）工作狀態(tài)。

（3）將激光設(shè)備與電腦進(jìn)行連接，對(duì)電腦進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，且與機(jī)床系統(tǒng)程序匹配。

（4）調(diào)整機(jī)床參數(shù)，清零螺距補(bǔ)償參數(shù)，生成機(jī)床運(yùn)行程序，且試運(yùn)行，確認(rèn)無(wú)誤后準(zhǔn)備試驗(yàn)（此過(guò)程應(yīng)對(duì)試驗(yàn)軸進(jìn)行預(yù)熱）。

（5）通過(guò)無(wú)補(bǔ)償測(cè)量結(jié)果生成補(bǔ)償數(shù)據(jù)，通過(guò)U 盤將數(shù)據(jù)拷入機(jī)床系統(tǒng)中，確認(rèn)螺距補(bǔ)償生效后進(jìn)行5 次測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（6）其余軸重復(fù)相同操作，將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

雷尼紹激光干涉儀工作圖如圖2 所示。

圖2 雷尼紹激光干涉儀工作圖

2.2 i5 系統(tǒng)補(bǔ)償特點(diǎn)

（1）i5 系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)生成運(yùn)行程序。

（2）補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過(guò)U 盤直接傳入機(jī)床系統(tǒng)。

（3）i5 系統(tǒng)是雙向補(bǔ)償無(wú)需進(jìn)行額外設(shè)定。這在一定程度上節(jié)約了時(shí)間，且操作智能簡(jiǎn)便化。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)《GB/T 18400.4—2010 加工中心檢驗(yàn)條件第4 部分 線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)》以及《GB/T 17471.2—2000 機(jī)床檢驗(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》線性軸定位精度和重復(fù)定位精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 線性軸線行程至2 000 mm的定位精度的公差

3.1 X 軸精度分析

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出X軸原始狀態(tài)下（無(wú)補(bǔ)償）定位精度及重復(fù)精度如圖3 所示。

圖3 X 軸無(wú)補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖3 中可見(jiàn)：定位精度A為0.015 365 mm，單向定位精度A↑為0.012 462 mm、A↓為0.013 683 mm，單向重復(fù)R↑為0.002 234 mm、R↓為0.002 400 mm，系統(tǒng)偏差E為0.013 780 mm，均偏差范圍M為0.011 280 mm，反向差值B為0.002 980 mm，通過(guò)對(duì)照軸線行程至2 000 mm的定位精度的公差表可知：X軸所有精度都在要求范圍內(nèi)，但也接近于公差上線，為了達(dá)到更加效果，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償并做出補(bǔ)償后定位精度與重復(fù)精度補(bǔ)償曲線如圖4 所示。

圖4 X 軸補(bǔ)償后定位精度和重復(fù)精度分析曲線

經(jīng)過(guò)對(duì)X軸進(jìn)行補(bǔ)償通過(guò)曲線分析可知：定位精度A為0.002 145 mm，單向定位精度A↑為0.002 145 mm、A↓為0.001 931 mm，單向重復(fù)R↑為0.002 090 mm、R↓為0.001 706 mm，系統(tǒng)偏差E為0.000 760 mm，均偏差范圍M為0.000 660 mm，反向差值B為0.000 260 mm。其中定位精度A變?yōu)樵瓉?lái)的0.14倍，精度提高了86%；單向定位精度A↑和A↓分別變?yōu)樵瓉?lái)的0.17 倍和0.14 倍，精度分別提高了83%和86%；單向重復(fù)R↑和R↓分別變?yōu)樵瓉?lái)的0.93 倍和0.71 倍，精度分別提高了4.5%和29%；系統(tǒng)偏差E變?yōu)樵瓉?lái)的0.055 倍，精度提高了94%；均偏差范圍M變?yōu)樵瓉?lái)的0.058 倍，精度提高了94%；反向差值B變?yōu)樵瓉?lái)的0.087 倍，精度提高了91%。說(shuō)明i5 系統(tǒng)應(yīng)用于TD500A 鉆攻中心X軸效果明顯。

3.2 Y 軸精度分析

現(xiàn)對(duì)Y軸做無(wú)補(bǔ)償測(cè)量并生成定位精度和重復(fù)精度分析曲線，如圖5 所示。

圖5 中可見(jiàn)：Y軸定位精度A為0.040 663 mm，單向定位精度A↑、A↓分別為0.037 269 mm和0.037 663 mm，單向重復(fù)R↑、R↓均為0.003 038 mm，系統(tǒng)偏差E為0.038 060 mm，均偏差范圍M為0.054 970 mm，反向差值B為0.004 320 mm。為了達(dá)到更加效果，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行螺距補(bǔ)償并做出補(bǔ)償后定位精度與重復(fù)精度補(bǔ)償曲線，如圖6 所示。

圖5 Y 軸無(wú)補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖6 中可見(jiàn)：定位精度A為0.003 248 mm，單向定位精度A↑為0.003 068 mm，A↓為0.003 201 mm，單向重復(fù)R↑為0.003 064 mm，R↓為0.003 041 mm，系統(tǒng)偏差E為0.000 540 mm，均偏差范圍M為0.000 420 mm，反向差值B為0.000 260 mm。其中定位精度A變?yōu)樵瓉?lái)的0.08 倍，精度提高了92%；單向定位精度A↑和A↓均別變?yōu)樵瓉?lái)的0.08 倍，精度均提高了91%；單向重復(fù)R↑和R↓與補(bǔ)償前無(wú)明顯變化，但均低于要求值；系統(tǒng)偏差E變?yōu)樵瓉?lái)的0.014 倍，精度提高了98%，均偏差范圍M變?yōu)樵瓉?lái)的0.007倍，精度提高了99%，反向差值B變?yōu)樵瓉?lái)的0.06倍，精度提高了94%。通過(guò)補(bǔ)償后的精度數(shù)值看出補(bǔ)償后效果明顯，使其精度達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 Y 軸補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

3.3 Z 軸精度分析

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)分析得出Z軸原始狀態(tài)下定位精度及重復(fù)精度如圖6 所示。

圖7 可見(jiàn)：定位精度A為0.014 361 mm，單向定位精度A↑為0.012 113 mm、A↓為0.012 011 mm，單向重復(fù)R↑為0.000 867 mm、R↓為0.001 180 mm，系統(tǒng)偏差E為0.013 760 mm，均偏差范圍M為0.011 500 mm，反向差值B為0.002 640 mm，通過(guò)對(duì)照軸線行程至2 000 mm的定位精度的公差表可知：Z軸所有精度都在要求范圍內(nèi)，為了達(dá)到更加效果，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償并做出補(bǔ)償后定位精度與重復(fù)精度補(bǔ)償曲線如圖8 所示。

圖7 Z 軸無(wú)補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖8 Z 軸補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖8 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)Z軸進(jìn)行補(bǔ)償通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知：定位精度A為0.001 746 mm，單向定位精度A↑為0.001 746 mm、A↓為0.001 633 mm，單向重復(fù)R↑為0.001 035 mm，R↓為0.000 716 mm，系統(tǒng)偏差E為0.001 240 mm，均偏差范圍M為0.001 140 mm，反向差值B為0.000 260 mm。其中定位精度A變?yōu)樵瓉?lái)的0.12 倍，精度提高了87%；單向定位精度A↑和A↓分別變?yōu)樵瓉?lái)的0.14 倍和0.13 倍，精度分別提高了85%和86%；單向重復(fù)R↑和R↓分別變?yōu)樵瓉?lái)的1.19 倍和0.61 倍，R↓精度提高了39%；系統(tǒng)偏差E變?yōu)樵瓉?lái)的0.09 倍，精度提高了91%，均偏差范圍M變?yōu)樵瓉?lái)的0.09 倍，精度提高了90%，反向差值B變?yōu)樵瓉?lái)的0.1 倍，精度提高了89%。通過(guò)補(bǔ)償后的精度數(shù)值看出補(bǔ)償后優(yōu)化效果明顯，使其精度達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用于筆者公司自主生產(chǎn)TD500A 立式鉆攻中心機(jī)床中的i5 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償在線性軸定位精度等方面上有很大提升。

（1）定位精度A：X軸精度提高86%，Y軸精度提高92%，Z軸精度提高87%，平均提高88.33%。

（2）重復(fù)定位精度B：X、Y、Z三軸無(wú)明顯變化，但均遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）反向差值B：X軸精度提高91%，Y軸精度提高94%，Z軸精度提高89%，平均提高91.33%。

（4）均偏差范圍M：X軸精度提高94%，Y軸精度提高99%，Z軸精度提高90%，平均提高94.33%。