數(shù)控機(jī)床圓精度及補(bǔ)償技術(shù)研究
2019-5-5 來(lái)源： 馬鞍山機(jī)床及刃模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 作者：蔣昌虎，劉 鯤，陳立貴
摘要：數(shù)控機(jī)床誤差的檢測(cè)對(duì)于提高加工精度具有重要意義。對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法進(jìn)行分析后，采用一種基于 Renishaw QC20-W 球桿儀的圓軌跡測(cè)量方法，獲得加工中心誤差信息，使用激光干涉儀通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；圓檢驗(yàn)；誤差分析
數(shù)控機(jī)床的精度是其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是影響工件加工精度的重要因素，用低精度機(jī)床加工出高精度的零件是機(jī)床生廠(chǎng)商和機(jī)床用戶(hù)共同追求的目標(biāo)。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。如果存在運(yùn)動(dòng)誤差，反映到加工形式上，則會(huì)導(dǎo)致加工誤差增大。所以，通過(guò)檢測(cè)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。對(duì)于多軸加工中心來(lái)講，加工大多是在多軸聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下完成的，檢測(cè)加工中心“圓運(yùn)動(dòng)”的精度不僅可以獲得與加工中心的幾何精度、位置誤差、重復(fù)精度有關(guān)的信息，還可以獲得與進(jìn)給速度和伺服控制系統(tǒng)有關(guān)的動(dòng)態(tài)誤差分量的信息，包括機(jī)床爬行、標(biāo)尺誤差、反向間隙、伺服增益不匹配和由于伺服響應(yīng)滯后引起的加工半徑減小等誤差分量。
1 、球桿儀應(yīng)用
球桿儀可以同時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)奢S聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的輪廓誤差，數(shù)控機(jī)床的各軸垂直度、重復(fù)性、間隙、伺服增益比例匹配、伺服性能和絲杠周期性誤差等參數(shù)指標(biāo)都能從運(yùn)動(dòng)輪廓的半徑中反映出來(lái)。
這里將根據(jù)數(shù)控車(chē)床的特點(diǎn)，通過(guò)分析各誤差元素的敏感方向，設(shè)定不同的球桿儀檢測(cè)模式，并通過(guò)模擬方式，得到各誤差因素影響下球桿儀的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖形，對(duì)球桿儀檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果提出預(yù)測(cè)。
在 ZX 平面內(nèi)，X 軸與 Z 軸配合做插補(bǔ)，使球桿儀完成順時(shí)針和逆時(shí)針各 360°圓弧數(shù)據(jù)采集。球桿儀經(jīng)過(guò) X 軸與 Z 軸誤差敏感方向，因此兩軸誤差均可在檢測(cè)軌跡中得到反映。
這種檢測(cè)模式，可反映 X 導(dǎo)軌和 Z 導(dǎo)軌各自的直線(xiàn)度以及兩軸間的垂直度誤差，另外亦可檢測(cè)機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)誤差，若兩軸間存在伺服不匹配誤差，則球桿儀軌跡將呈現(xiàn)橢圓特征，且橢圓長(zhǎng)軸與進(jìn)給超前的軸平行。
2 、性能優(yōu)化
使用 Renishaw 的 QC20 球桿儀可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出數(shù)控車(chē)床的各項(xiàng)圓度誤差。電氣參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可以方便有效地減小其中反向躍沖和伺服參數(shù)不匹配等誤差項(xiàng)。反向躍沖主要是由摩擦引起的。
數(shù)控機(jī)床的摩擦特征在伺服軸低速時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線(xiàn)性，主要表現(xiàn)在伺服軸換向時(shí)速度過(guò)零，由于摩擦的存在，該軸不能立刻加速，而產(chǎn)生了滯后，這個(gè)滯后就形成了象限點(diǎn)的凸起，如圖 1 所示。
圖1 圓測(cè)試曲線(xiàn)
對(duì)于西門(mén)子系統(tǒng)，可以使用摩擦補(bǔ)償功能來(lái)減小反向躍沖。補(bǔ)償原理是換向時(shí)在速度環(huán)上疊加 1 個(gè)額外的補(bǔ)償脈沖，以快速渡過(guò)換向區(qū)域，來(lái)補(bǔ)償摩擦力急劇變化而引起的過(guò)大輪廓誤差。
3 、應(yīng)用實(shí)例
使用QC20 球桿儀對(duì)某加工中心 XY 軸圓運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖2 所示。由圖 2 可以看出，該軌跡與標(biāo)準(zhǔn)圓存在較大誤差。軟件誤差分析結(jié)果為：X、Y 軸的位置度、Y軸 直 線(xiàn) 度
、XY 軸 垂 直度、X 軸反向躍沖分別占比 13%、12%、9%。
圖 2 圓運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)結(jié)果
以上分析可以看出 X、Y 軸的位置度對(duì)圓精度影響也較大，激光干涉儀可以對(duì)位置精度進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)數(shù)控程序進(jìn)行補(bǔ)償。
本文采用雷尼紹 XL-80 對(duì)加工中心進(jìn)行定位精度和重復(fù)定位精度測(cè)量，得到定位精度和重復(fù)定位精度如圖 3 所示。
圖 3 定位精度測(cè)量曲線(xiàn)
根據(jù)軟件分析結(jié)果，對(duì)加工中心的上述要素進(jìn)行調(diào)整后，再次對(duì) XY 軸圓運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 4 所示。從兩圖的對(duì)比可以看出，該加工中心 XY 軸圓軌跡運(yùn)動(dòng)特性得到明顯改善。
圖 4 圓運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試結(jié)果
4 、小結(jié)
本文通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)球桿儀對(duì)加工中心圓精度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)軟件分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，同時(shí)針對(duì)位置精度通過(guò)激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量和改進(jìn)，綜合以上措施使加工中心圓精度能得到較大提高。證明了球桿儀及其軟件分析，配合激光干涉儀能夠有效提升加工中心動(dòng)態(tài)性能。
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