基于球桿儀的空間誤差測量分析方法研究*

姚雨良，趙 飛，張東升

(西安交通大學機械工程學院，西安 710049)

基于球桿儀的空間誤差測量分析方法研究*

姚雨良，趙 飛，張東升

(西安交通大學機械工程學院，西安 710049)

數(shù)控機床誤差的檢測對于提高機床加工精度具有重要的意義。在分析已有的空間測量方法之后，介紹了一種可用于測量機床空間圓運動軌跡誤差的測量儀器——Renishaw QC20-W球桿儀，它可以創(chuàng)建典型的機床位置精度空間測量，獲得總體圓度誤差值等信息，為實施圓軌跡的誤差補償打下基礎。

球桿儀;圓運動;空間測量;數(shù)控機床

0 引言

隨著科學技術和工業(yè)的發(fā)展，零件的加工要求更加精密化，因此對數(shù)控機床提出了更高的加工精度要求。提高數(shù)控機床的加工精度，減小加工誤差，主要有兩條途徑:誤差預防和誤差補償［1］。由于單純使用誤差預防方法有一定的局限性，且成本高昂，因此通常采用輔以誤差補償?shù)姆绞絹硖岣邤?shù)控機床的加工精度。而誤差補償技術的關鍵在于對誤差的精確識別，對于多軸數(shù)控機床、加工中心一類裝備來說，由于其空間運動軌跡直接影響了工件的加工精度［2］，因而對其進行精度檢測和誤差溯源就顯得尤為重要。

本文通過對Renishaw QC20-W球桿儀的空間測量應用，以某一參考點為中心，利用“部分圓弧測試”方式在三個正交平面上執(zhí)行球桿儀測試而無需重新調整中心座位置，保證所有測量數(shù)據(jù)均圍繞同一參考點來采集，然后顯示“球度”數(shù)值結果和最大、最小總體圓度值，以及各個測試圓度結果，從而創(chuàng)建典型的空間位置精度測量。

1 數(shù)控機床誤差檢測方法

根據(jù)機床精度檢測方法和誤差參數(shù)辨識過程來分，誤差測量方法有三種:直接測量法，間接測量法和綜合誤差測量參數(shù)辨識法。

直接測量法測量精度高，可以直接測量各個誤差元，但該方法的測量周期長，測試成本昂貴，且操作過于復雜，對測量人員要求有較高的技術水平;間接測量法是通過測量機床所加工工件的誤差值，來獲取機床精度信息。該方法對專用機床有一定的實用性，對通用機床顯得信息量不足，且由于包含了試件材料、加工工藝過程等不確定因素，使問題變得復雜。

綜合誤差測量參數(shù)辨識法是對機床工作區(qū)域內空間特定點的定位誤差進行測量，通過數(shù)學建模來對測量結果進行辨識，從而分離得到機床各項幾何誤差值。具體的幾種參數(shù)辨識方法有:基準棒——單項微位移法;基準圓盤——雙向微位移計測頭法;球桿儀法;全周電容——圓球法;二連桿機構——角編碼器法;四連桿機構法;平面正交光柵測量法［2］;R-Test測量裝置法［3］和沿體對角線的機床誤差激光矢量測量等方法。其中以球桿儀法和平面正交光柵法為代表。

1982年J.B.Bryan首先發(fā)明了球桿儀，該方法操作簡易、測量速度快，且信息量大，可以完成對機床的“一日測試”，因此受到廣泛的重視［4］。國內外學者在球桿儀的研究方面作了大量工作，目前在運用球桿儀進行圓測法試驗時，主要有兩方面的途徑，直接運用已有的球桿儀和運用改進型球桿儀進行圓測法試驗。

日本M.Tsutsumi等利用球桿儀進行三軸(2個線性軸和1個旋轉軸)、四軸(2個線性軸和2個旋轉軸)聯(lián)動測試，成功實現(xiàn)了五軸數(shù)控機床旋轉軸8個誤差(A軸的1個線性度、2個直線度和3個旋轉度誤差，A與C軸的垂直度誤差和Y方向上的軸線偏差)的辨識和分離［5-6］;加拿大 S.H.H.Zargarbashi等提出基于球桿儀的旋轉軸五步測試法，實現(xiàn)五個誤差(A軸的2個直線度和3個旋轉度誤差)的測量［7］。

國內對這一方法的研究也很多，臺灣國立清華大學W.T.Lei等開發(fā)了一種新穎的測量裝置——3D Probe-Ball和機床幾何誤差標定方法，用來識別進給軸誤差并進行補償，實驗結果表明機床精度提高了90%［8］;華中科技大學劉煥牢等針對現(xiàn)有球桿儀無法測量角度誤差的缺陷，研制了一種新的幾何誤差測量儀器:二維球桿儀［10］。

由于已有的球桿儀只適用于兩軸聯(lián)動的平面圓軌跡測試結果，若想得到空間三維的變化量，則需要通過特別的實驗設計方案來實現(xiàn)，由此引入了中間誤差，使得結果不理想。針對上述問題，Renishaw公司推出了具有空間測試能力的新一代產(chǎn)品:QC20-W球桿儀。

2 球桿儀測量原理和檢測方法

2.1 QC-20W球桿儀結構和原理

QC20-W球桿儀由一個安裝在可伸縮纖維桿內的高精度直線位移傳感器構成。測量時，中心座固定在工作臺上，球桿儀一端小球通過與之有三點接觸的工具杯和中心座吸附相聯(lián)，位移傳感器連接桿另一端的小球，通過同樣的工具杯和主軸端相連。當桿長發(fā)生變化時，內桿移入線圈，感應系數(shù)發(fā)生變化，檢測電路將電感信號轉變成位移信號，通過藍牙(Bluetooth)模塊輸送至匹配的個人計算機中，使QC20-W可用于“防護門關閉”狀態(tài)下進行測試。

球桿儀采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過Renishaw Ballbar20軟件分析之后就可以快速診斷和量化機床定位誤差，包括伺服不匹配、爬行誤差、反向間隙、重復精度和比例不匹配，以及最大偏差量、球度和總體圓度等空間精度誤差值。Yoshiaki Kakino及其合作者對運用球桿儀進行圓測法所測得的徑向誤差和機床空間點P(X，Y，Z)之間的關系式［11］:

其中，EX、EY、EZ是空間點 P(X，Y，Z)在三個軸上的誤差分量。該關系式奠定了進一步理論研究的基礎，已為多數(shù)學者所采用。

QC20-W球桿儀具體系統(tǒng)參數(shù)如表1所示［12］。

表1 QC20-W球桿儀具體系統(tǒng)參數(shù)

2.2 實驗方案設計

基于球桿儀的兩軸聯(lián)動的平面圓軌跡測試已有很多文獻研究，因此不再贅述。在此主要介紹機床位置精度的空間測量分析。

本實驗基于康鋮KMC550三軸數(shù)控機床，該機床的主要系統(tǒng)指標如表2所示。

表2 康鋮KMC550數(shù)控機床系統(tǒng)指標

實驗過程如圖1所示，選擇XY平面上某一參考點為中心，固定好底座之后，利用“圓弧測試”和“部分圓弧測試”在XY、ZX、YZ三個正交平面上依次執(zhí)行球桿儀測試而無需重新調整中心座位置，保證所有數(shù)據(jù)均圍繞同一個參考點進行采集(注:QC10球桿儀不能進行此項測試)。球桿儀的測量軌跡如圖2所示。

圖1 QC20-W球桿儀空間測試過程

圖2 球桿儀的測量軌跡

具體步驟如下所示:

(1)在XY平面進行360度(越程45度)測量;

(2)在ZX平面進行220度(越程2度)測量;

(3)在YZ平面進行220度(越程2度)測量;

(4)每個平面以不同速率和不同的量程分別進行兩組測量并保存數(shù)據(jù)。

3 實驗過程

3.1 球桿儀的安裝

實驗方案設計好之后，應用QC20-W球桿儀分別對三軸數(shù)控機床的三個正交平面進行測試，球桿儀的具體安裝步驟為:

(1)將球桿儀主軸工具杯安裝到主軸上，緊固;

(2)移動主軸到測試軌跡圓圓心位置;

(3)將設置球放置在球桿儀的中心座杯上，將中心座的緊固拉桿處在松開位置;

(4)將球桿儀中心座安裝到工作臺上，位置在圓心處，即主軸正下方;

(5)慢慢下降主軸位置，并不斷調整球桿儀中心座位置，使設置球和中心座杯受磁力自由吸附到主軸工具杯上，使設置球球心和主軸軸心在同一直線上;

(6)旋緊球桿儀中心座上的緊固拉桿，記錄機床坐標位置并將其設置為坐標原點;

(7)(9)操作機床，使主軸位置上升2～5cm，并將設置球取下放置在儀器箱中;

(8)(10)操作機床，平移主軸至測試起點上方，然后下降至測試起點坐標位置處;

(11)旋開球桿儀開關，并將測試連桿架設至圖示位置。

圖3 球桿儀安裝示意圖

該實驗設計是在室溫20°C和機床空載初始狀態(tài)下進行，忽略機床的熱變形誤差和主軸刀具端的熱漂移誤差。注意在安裝過程中必須避免發(fā)生撞擊，否則將嚴重損壞球桿儀的測試精度。

3.2 實驗結果

測試完成之后，分析實驗測得的數(shù)據(jù)和圖像。

表格3和圖4分別為Renishaw Ballbar20軟件分析得出的數(shù)據(jù)和圖像。其中偏差是指球桿儀所測的實際運動軌跡與名義軌跡半徑之差;圓度指球桿儀在測量中所測得的最大半徑和最小半徑之差;球度是指球桿儀所測得的最大偏差量和最小偏差量之差。

表3 實驗測試康鋮KMC550三軸數(shù)控機床的空間位置精度

圖4 球桿儀測試結果截圖

通過對康鋮KMC550機床進行空間測量實驗，證明了基于QC-20W球桿儀的空間測量方法簡便有效，能夠檢測出數(shù)控機床作圓弧插補運動時的球度誤差，最大和最小偏差量的大小和方位。

4 結束語

數(shù)控機床的幾何誤差直接影響機床定位精度和工件表面加工質量。文中應用QC20-W球桿儀快速創(chuàng)建典型的位置精度空間測量，獲得總體圓度誤差值等信息，為實施圓軌跡的誤差補償打下基礎，且具有檢測簡單高效，設備價格較低廉的特點，為快速檢測提供了有力的工具，大大提高了機床的實用化程度。

［1］倪軍.數(shù)控機床誤差補償研究的回顧及展望［J］.中國機械工程，1997(8):29-32.

［2］洪邁生，蘇恒，等.數(shù)控機床的運動精度診斷——評述與對策［J］. 機械工程學報，2002，38(2):90-94.

［3］S.Weikert and W.Knapp.R-Test，a New Device for Accuracy Measurements on Five Axis Machine Tools［J］，Annals of the CIRP，2004，53(1):429-432.

［4］J.B.Bryan.A simple method for testing measuring machine and machine tools［J］，Precision Engineering，1982，4(2):61-69.

［5］Masaomi Tsutsumi，Akinori Saito.Identification of angular and positional deviations inherent to 5-axis machining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2004(44):1333-1342.

［6］M.Tsutsumi，A.Saito.Identification and compensation of systematic deviations particular to 5-axis machining centers［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003(43):771-780.

［7］S.H.H.Zargarbashi，J.R.R.Mayer.Assessment of machine tool trunnion axis motion error，using magnetic double ball bar［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006(46):1823-1834.

［8］W.T.Lei，Y.Y.Hsu.Error measurement of five-axis CNC machines with 3D probe-ball［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003(139):127-133.

［9］馬錫琪.數(shù)控機床運動誤差測試裝置——雙球規(guī)測量儀［J］. 計量與測試技術，1996，23(4):3-5.

［10］劉煥牢.數(shù)控機床幾何誤差測量及誤差補償技術的研究［D］.武漢:華中科技大學，2005.

［11］Yoshiaki kakino，Yukitoshi Ihara and Yoshio Nakatsu.The measurement of motion error of NC machine tools and diagnosis of their originals by using telescoping magnetic ballbar method［J］.Annals of the CIRP，1987，36(1):377-80.

［12］2009 RENISHAW PLC.Renishaw.Ballbar Help.Ballbar 20HPS software.Version 5.0.

Space Error Measurement＆Analysis of CNC Machine Tools with Ballbar

YAO Yu-liang，ZHAO Fei，ZHANG Dong-sheng
(Xi’an Jiaotong University，School of Mechanical Engineering，Xi’an 710049，China)

The detection of the error of NC machine tools have great meaningful to improve the machining accuracy.After analysis of the existing space measuring methods,the Renishaw QC20-W ballbar,a measuring instrument for measuring spatial circle movement error of machine tools is introduced.It can measure a typical machine tool’s position accuracy,acquire the overall value ofroundness error and lay foundation for the implementation of the compensation of the circular trajectory error.

ballbar;circular motion;geometric measurement;CNC machine tools

TG156

A

1001-2265(2011)08-0072-04

2010-12-07

國家科技重大專項項目(2009ZX04014-023)

姚雨良(1986—)，男，山西人，西安交通大學碩士生，研究方向為機床幾何誤差辨識，(E-mail)yao.yu.liang@stu.xjtu.edu.cn。

(編輯 趙蓉)