BF-850B立式高速數控機床精度檢測及誤差補償研究

楊秀芝，查吉利，徐紹勇，王興東，蔣宇輝

(1.湖北理工學院智能輸送技術與裝備湖北省重點實驗室，湖北黃石 435003；2.武漢科技大學冶金裝備及其控制省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢 430081)

0 前言

為迎接中國制造2025的到來，國內數控機床數量和質量均呈現突飛猛進勢頭，但與歐美日所產機床相比精度等方面還存在差距。特別是隨著計算機技術、微電子的發展，數控機床正加速進步，以便滿足各方用戶更多需求。其中對數控機床定位精度的檢測、控制與補償已成為國際機床展上各國機床制造商展示其機床核心技術指標和焦點[1]。本文作者針對所研究的BF-850B立式高速高精度線軌數控機床，提出了激光干涉儀與循圓檢測共同補償策略，對機床精度進行補償研究。研究結果表明：該補償方式可以很好地彌補工作臺及其他部件帶來的人工或加工誤差，并根據計算機反饋的信息進行補償，效果較好。

1 定位精度的檢測方法

BF-850B立式數控機床主要運用于汽車零部件、家電模具和小型模具架加工，機床主要包括X、Y、Z三個移動軸以及主軸和刀庫兩個旋轉軸。

此檢測方法分為兩部分：第一部分為激光干涉儀，進行三軸精度檢測及誤差補償；第二部分為球桿儀，進行循圓檢測及誤差補償。搭建的實驗平臺如圖1所示。

圖1 基于BF-850B機床的實驗平臺

1.1 波長補償

線性定位測量精度取決于激光波長，激光波長測量精度不僅和激光穩頻精度有關，還與環境參數如氣壓、相對濕度和氣溫有關[1]，所以在對機床進行精度檢測及補償之前需對激光進行波長補償分析。

本文作者所用激光干涉儀具有激光波長自動補償系統，這樣，可自動調整激光波長讀數。

1.2 三軸精度檢測方法及原理

1.2.1 定位精度檢測方法

數控機床靜態補償的原理是在數控系統無補償的情況下，將測量行程N等分，測出目標位置的誤差值。單向補償方式的補償值參照正向誤差值求得。增量型補償是取相鄰兩點位置偏差的絕對值作為補償量，輸入到數控系統參數中。待誤差補償生效后，數控系統實現誤差補償功能。

1.2.2 定位精度檢測原理

實驗中要對線性測量進行設定，使用隨附的兩個外螺釘將其中的一個線性反射鏡安裝在分光鏡上。這個組合裝置稱為“線性干涉鏡”，它形成激光光束的參考光路。線性干涉鏡放置在激光頭和線性反射鏡之間的光路上，如圖2所示。

圖1為此次測試平臺，采用線性角錐反射鏡系統[1-2]，系統硬件配置如圖3所示。其過程如下：(1)激光頭發出的光被分光鏡 A分成兩束光；(2)大約一半激光被射到固定角錐反射鏡 B上，形成參考光束；另一半激光射到移動角錐反射鏡C上，形成測量光束。

圖2 線性干涉原理示意

圖3 實驗基本線性測量硬件配置

根據國際標準ISO 230-2 1997中關于機床定位精度和重復定位精度的評定方法，可得單向定位精度的數學模型的系列公式[3]如下：

(1)

(2)

單向重復定位精度為

Ri↑=max[4si↑]

(3)

Ri↓=max[4si↓]

(4)

(5)

(6)

式中：j為循環次數；Pi為第i個測量點序的理論位置；Pij、xij分別為第j次循環下第i個測量點序的實際位置和位置偏差。按上述數據處理方法，將采集數據輸入數控機床精度檢測系統，得到誤差補償數據。

1.3 檢測實例分析

圖4 x軸未補償時位置偏差曲線

文中研究以BF-850B立式高速高精度線軌機床搭建測試平臺，采用激光干涉儀檢測x軸定位精度，測量方法為等間距測量法，螺距誤差補償方式為單向增量型補償。根據采集到的數據進行誤差分析，然后進行誤差補償。數據采集方法：將機器沿著測試軸移動到若干個不同位置，然后測量機器的誤差。也可以采用編寫零件程序的方法，將被測物從一個目標位置移到下一個目標位置，并在每個目標位置暫停幾秒鐘，在每次暫停過程中進行測量[4]。通過直接對數控機床進行精度檢測，得到未補償時的定位精度曲線如圖4所示。可知：補償前平均位置偏差為0.030 2 mm。系統偏差為0.039 1 mm，定位精度為0.040 5 mm，且曲線呈逐級遞增趨勢，說明x軸運動誤差呈升高趨勢，因此需要進行誤差補償。

將補償間隔設為20 mm，在補償起點為0、終點為780 mm處進行采集，數據設置如圖5所示；此處分別采用同一系數對所有行程區間內的點位進行一次性線補償和將全測量行程根據其誤差特性差別采用若干個細分區間采用不同系數分別進行補償的多段式線性補償。并基于Python軟件的pycharm集成開發環境構建sklearn線性擬合模型，將得到的誤差補償數據輸入至數控機床控制系統，然后按照補償前的方式繼續操作后得到補償后位置偏差如圖6所示。

圖5 誤差補償調整圖

圖6 補償后x軸位置偏差曲線

由圖6可知：補償前均偏差范圍為0.003 2 mm，系統偏差為0.004 2 mm，定位精度為0.005 6 mm，且曲線圖偏差范圍在很小范圍內波動，x軸運動軌跡已趨于平穩，說明誤差已得到很好的補償。通過圖6導出補償后誤差補償值，分析前后兩個均值補償數值并對它們分別做均值計算得:

補償前均值為

補償后均值為

由此可知：補償后的均值更趨近于0，這證明數控機床的穩定性能得到了較好的提升，從而使得機床精度明顯提升。

對比圖4、圖6可以看出：數控機床的x軸精度由補償前的均偏差范圍0.030 2 mm提高到補償后的均偏差范圍0.003 2 mm。定位精度和重復定位精度均有不同程度的提升。由此可知，運用激光干涉儀進行誤差補償，該補償策略原理正確、效果顯著。

2 球桿儀下循圓檢測

運用球桿儀檢驗工作臺面的水平精度(以xy軸垂直度為例)，補償前如圖7所示。可知：工作臺面的水平精度為0.005 3 mm，且上下左右4個方位的差值明顯，需要對工作臺的精度進行補償，就必須對工作臺作真圓度分析。通過參數修改和仿真分析，得到誤差補償后的結果如圖8所示。工作臺面的水平精度為0.001 0 mm，且上下左右4個方位的峰值明顯減小。由此證明，運用該方法對工作臺面進行真圓度分析，該補償方法原理正確、效果明顯。

圖7 補償前曲線

圖8 補償后曲線

3 結語

通過激光干涉儀對選定機床進行三軸定位精度檢測，并對反向間隙誤差和絲杠螺距誤差進行補償，同時結合球桿儀進行循圓檢測及誤差補償。這兩種測試手段的結合大大提升了數控機床的精度水平；實驗中通過多次實驗確保了測量數據的可靠性。可見，此方法對數控機床精度檢測與誤差補償具有時效性和通用性，可以大大縮短檢測周期，降低開發成本。