某臥式數(shù)控車床圓軌跡精度測試與分析
2020-5-25 來源： 沈陽機床股份有限公司 作者：譚智 馬曉波，曹鐸
摘要 ：本文首先分析了球桿儀測試的基本原理，后以臥式數(shù)控車床為例，梳理了數(shù)控車床圓軌跡精度測試流程，并測量了該臥式數(shù)控車床的圓軌跡精度，并對各誤差項在圓度誤差中的占比進行了分析。通過整個測試及優(yōu)化流程，證明了該測試流程、誤差識別方法省時高效。
關(guān)鍵詞 ：球桿儀 ；測試流程 ；圓軌跡測試
目前隨著數(shù)控機床制造技術(shù)的突飛猛發(fā)展，數(shù)控機床市場的需求量及技術(shù)要求也隨之越來越高 ；如何能在提高生產(chǎn)效率的同時，最大限度地降低制造成本、縮短交貨周期、并且保證機床的精度，因此急需先進的檢測設(shè)備及精度優(yōu)化的流程手段[1]。在影響機床加工精度的因素中，起支配作用的是運動精度。了解掌握機床的運動精度對于精密加工而言不可或缺。如果構(gòu)成機床設(shè)備的各零部件的尺寸、形狀精度低，則機床的運動精度差。另外，安裝與調(diào)整控制系統(tǒng)等對機床運動精度也有影響[2]。本文將以球桿儀這一高效、便捷的測量儀器來對某臥式數(shù)控車床進行圓軌跡精度測試與分析。
1、球桿儀誤差測量原理
1.1 球桿儀結(jié)構(gòu)簡述
圖 1 球桿儀構(gòu)造圖
1. 傳感器球 2.LED 狀態(tài)指示燈 3. 無線電通信模塊 4. 中心球（固定）5. 開
關(guān)和電池蓋 6. 球桿儀傳感器 7. 序列號（底部）8. 蓋環(huán)
英國 Renishaw 公司生產(chǎn)的 QC20 球桿儀是一種快速檢測機床性能的精密儀器，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，是一個精密的線性傳感器，能夠精確測出在球桿標(biāo)稱 (100 mm) 長度 ±1 mm 行程內(nèi)的伸縮量。此傳感器可提供電子信號，這些信號經(jīng)處理后與計算機無線通訊。這允許 Ballbar 20 軟件對傳感器名義長度上的微小變化進行測量和分析。
1.2 球桿儀的測試原理
用球桿儀進行誤差測量，設(shè)坐標(biāo)系的原點 O(0,0) 為車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)機床運動到目標(biāo)位置 P(x,z) 時，設(shè)機床的實際位置為P'(x',z')。則機床的空間誤差可用這兩個坐標(biāo)表示如下 ：
式（4）表示點 P 處的定位和球桿儀半徑誤差的關(guān)系。該式是球桿儀測量裝置的基本方程式，反映了測量結(jié)果與誤差矢量之間的關(guān)系。測量所有的 ?R，做出圓度誤差曲線，可以綜合反映出機床部件相互幾何關(guān)系等因素。
2 、測試內(nèi)容及過程
針對數(shù)控車床進行球桿儀圓弧插補測試的總體測試流程如圖 2。
①先預(yù)熱機床 ：使機床以測試速度運行半個小時，讓機床進行充分的潤滑與熱機 ；②再確定測試半徑 ：按照測試需求及機床行程選擇測量半徑 ；③對程序進行預(yù)運行 ：按照選定的半徑、速度進行程序預(yù)運行，確保測試程序沒有問題 ；④確保球桿儀連接 ：連接球桿儀，包括電源、傳感器、球座，將球桿儀鏈接到機床，準備進行實驗 ；⑤執(zhí)行測試 ：在測試程序通過預(yù)運行后，開始執(zhí)行測試 ；⑥數(shù)據(jù)診斷 ：對測量結(jié)果進行診斷，明確各軸的位置誤差，角度誤差，直線度，垂直度，以及比例誤差，周期誤差等誤差項的排序。⑦參數(shù)優(yōu)化 ：在數(shù)據(jù)診斷的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化 ；⑧結(jié)果驗證 ：在優(yōu)化后對再次執(zhí)行測試，如測試結(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 測試流程圖
分 別 以 500mm/min、1500mm/min、3000mm/min
進給速度，100mm 為半徑在 XZ 面內(nèi)進行圓軌跡測試，獲得
圓度軌跡誤差值。
3、測試結(jié)論
以下為 3000mm/min 進給速度的測試結(jié)果，經(jīng)測試圓度為 9.5um。
表 1 誤差及診斷表格單位 ：um
圖 3 測試結(jié)果
該臺臥式車床經(jīng)測試，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。利用球桿儀對數(shù)控機床的幾何誤差進行檢測是一種效率高操作簡單而且測量結(jié)果具有較高可信度的實用方法，同時還可以通過故障診斷數(shù)據(jù)對數(shù)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，找出故障問題，可以顯著提高數(shù)控機床的圓弧插補精度。
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