數(shù)控機床定位誤差來源與檢測研究

宋淑紅

[摘要]數(shù)控機床作為新一代工作母機，在機械制造中已得到廣泛的應用，精密加工技術的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷提高，對數(shù)控機床的精度也提出更高的要求。首先介紹數(shù)控機床定位誤差的來源，然后介紹數(shù)控機床定位誤差的檢測方法，最后作定位誤差檢測需求分析，即快速性，經(jīng)濟性、適應性以及對環(huán)境的要求不高。

[關鍵詞]數(shù)控機床誤差檢測

中圖分類號：TH6文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)1010141-01

數(shù)控機床的定位精度是指機床的運動部件在數(shù)控系統(tǒng)的控制下運動所能達到的實際位置的精度，它與機床的幾何誤差一道對機床的加工精度產(chǎn)生重要的影響。按照國家標準“數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定”(GB／T 17421.2-2000)規(guī)定，數(shù)控坐標軸定位精度的評定項目有以下三項：軸線的重復定位精度R、軸線的定位精度A和軸線的反向差值B。定位精度的高低用定位誤差的大小進行衡量。

一、數(shù)控機床的定位誤差來源

數(shù)控機床的運動軸是靠數(shù)控系統(tǒng)控制步進電機或者伺服驅動單元來實現(xiàn)各個滑塊的軸向定位的。產(chǎn)生定位誤差主要誤差源有：

(一)組成環(huán)節(jié)的誤差。包括；1，機床的原始制造、裝配缺陷等造成的機床幾何誤差，比如設計誤差、裝配誤差、組成的零部件誤差以及零部件間相對運動產(chǎn)生的誤差等。2，機床的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，比如機床軸系的伺服誤差(輪廓跟隨誤差)，數(shù)控機床插補算法誤差，機床檢測系統(tǒng)受溫度、濕度和塵埃的影響而產(chǎn)生的測試誤差等。

(二)運動環(huán)節(jié)的誤差。包括：1，切削力引起的誤差，包括切削力負荷加載時機床變形引起的誤差，刀具和機床零部件加工過程中產(chǎn)生的熱變形引起的誤差的等。2，機床的振動誤差，在切削加工時，其運行狀態(tài)有可能落入不穩(wěn)定區(qū)域，從而激起強烈的顫振誤差。3，外界干擾誤差，由于環(huán)境的變動，比如溫度、鄰近振動、電壓波動、空氣濕度等，和運行工況的變化引起的隨機誤差等。

(三)動態(tài)形變的誤差。包括：1，由于機床的內部熱源和外部熱源的作用導致的機床結構熱變形而產(chǎn)生的誤差，內部熱源包括驅動、軸承摩擦、導軌摩擦等，外部熱源包括室溫，熱輻射和空氣對流等。2，機床受力引起的機床幾何形狀變形誤差，包括工件和夾具重力、裝夾力等。分析定位誤差的誤差來源后，可以通過以下兩種方法來減小機床定位誤差：誤差防止法和誤差補償法。誤差防止法是通過設計和制造途徑消除或減少系統(tǒng)外的誤差源影響，并采用嚴格的溫度控制、隔震措施、氣流擾動及環(huán)境狀態(tài)的控制以消除或減少系統(tǒng)外的誤差源影響。誤差補償是通過檢定機床各種誤差或分析誤差成因，依據(jù)檢定結果及誤差模型對機床各坐標軸的運動進行適當?shù)男拚齺硖岣邫C床精度，其實是人為的造出一種新的誤差去抵消當前的原始誤差，以達到減少加土誤差，提高零件的加工精度的目的。誤差補償?shù)那疤崾且獪蚀_檢測定位誤差，往往更關注這些誤差源作用的最終結果，即末端誤差的數(shù)值。

二、定位誤差檢測方法

(一)激光干涉儀的定位誤差測量法。使用雙頻激光干涉儀的長度測量功能即可檢定機床的定位誤差。激光干涉儀由兩個具有不同頻率的圓偏振光作為光源，發(fā)射光經(jīng)偏振分光鏡向兩個正交方向分離。當測量反射鏡移動時，返回光產(chǎn)生多普勒頻移量，其包含了測量反射鏡的位移信息。在測量精度要求較高時，需要考慮溫度影響和安裝誤差，尤其是在垂直坐標時，空氣和機床溫度都存在明顯的變動，這給測量帶來很大困難。為解決此問題，可在20℃下長時間等溫，使空氣及機床溫度均勻相等。激光干涉儀由于測量精度高，抗干擾能力強，普遍用于數(shù)控機床誤差的標定，但是激光干涉儀價格昂貴，需要專業(yè)的技術人員，調整光路困難，測量一根軸需要3個小時，測量效率低。

(二)精密線紋尺的定位誤差測量法。以精密線紋尺的刻線為標準，與運動部件移動的距離作比較，求出被測數(shù)控機床坐標軸上各被測點的定位誤差(位置偏差)。測量方法如下：遵循阿貝原則將線紋尺安放在機床的工作臺上，反復調整線紋尺，使之與被測坐標的軸線方向一致，將讀數(shù)顯微鏡固定在移動部件上，當數(shù)控機床沿被測坐標軸的軸線方向上作直線移動到目標位置逐次定位，通過讀數(shù)顯微鏡從精密線紋尺精確讀出該目標位置的讀數(shù)值，數(shù)據(jù)處理后獲得機床的定位誤差。該方法解決了任意點直線位置精度的測量，但測量范圍受線紋尺規(guī)格及安裝限制，測量范圍小，雖然可采用接長法擴大測量范圍，但會引入新的測量誤差，使測量精度和效率大大下降，同時該方法對每一點偏差都要進行方向判別和繁雜的計算，極易帶入粗大誤差。一般用于較低精度、較小范圍的定位誤差的測量場合。

(三)光柵尺的定位誤差測量法。光柵尺是由光源、標尺光柵、指示光柵和光電元件組成的。指示光柵和標尺光柵都是由窄的矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成，線紋相交產(chǎn)生莫爾條紋。指示光柵和標尺光柵相對移動的柵距與莫爾條紋移動個數(shù)成正比，以此測量機床位移量。

三、定位誤差檢測需求

(一)應用場合

1，中、低檔經(jīng)濟型數(shù)控機床大批量生產(chǎn)出廠的精度標定。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會對高品質產(chǎn)品的需求越來越大，同時個性化的需求使產(chǎn)品更新?lián)Q代變快，相應的要求加工設各更精密，并且具有柔性化，而數(shù)控機床恰好滿足這些要求。由于數(shù)控機床適應現(xiàn)代工業(yè)的需要，其需求量也逐年增大，特別是中、低檔的普及型數(shù)控機床。

2，機床用戶對數(shù)控機床進行精度維護時的標定。數(shù)控機床在使用一段時間后，其精度會逐漸降低，有必要對機床精度進行重新標定。這些工作通常由機床用戶來完成，一般情況下，半年要標定一次，工作量大，且標定成本高。本裝置能有效提高標定效率，降低標定成本。

3，教學培訓用精度標定和誤差檢測試驗。數(shù)控機床的智能化、柔性化滿足了企業(yè)的需求，同時也要求培養(yǎng)一大批懂數(shù)控機床操作和維修的技術工人。在當前的職業(yè)教育中，由于誤差標定裝置價格昂貴，很多學校不能開設與此相關的學習課程，而本套裝置試驗過程與其它的標定儀器基本相似，可用于數(shù)控機床的誤差檢測試驗，培養(yǎng)學生這方面的技能，為社會輸送合格的人才。

(二)相適應的要求

1，快速性。試驗證明，用此套系統(tǒng)進行機床定位誤差檢測，每軸測量時間僅為1h(包括安裝調整時間)，那么對一臺數(shù)控機床的精度標定大概需要半天時間。相對于激光干涉儀，效率上，這套系統(tǒng)提高了近三倍。

2，經(jīng)濟性。從人力成本上來講，一個人操作就可完成，操作簡單，對操作者要求低，不需要專門對人員進行培訓；從經(jīng)濟成本上講，價格低，同時維護簡單，維護費用低。

3，適應性。我國大量生產(chǎn)和服役的是中、低檔經(jīng)濟型的普及型數(shù)控機床，對這些機床的精度標定，不需要使用精度很高的激光干涉儀，適應我國目前的國情需要，同時這套裝置對環(huán)境要求不高，適應工業(yè)現(xiàn)場誤差標定的需要。