數(shù)控機(jī)床大修后位置精度的檢測(cè)與補(bǔ)償

■ 北京電子科技職業(yè)學(xué)院 （100176）

張 麗 莊 嚴(yán) 李玉蘭 劉文平

滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛的應(yīng)用，其作用是將來(lái)自電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)床執(zhí)行部件的直線運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置精度，首先依賴(lài)各個(gè)傳動(dòng)部件的制造精度，主要是滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副高質(zhì)量；其次是裝配人員規(guī)范操作確保各個(gè)裝配步驟的安裝精度。但是只依靠以上兩個(gè)方面還不夠，采用先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備激光干涉儀進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償是進(jìn)一步大幅度提高數(shù)控機(jī)床位置精度的有效手段。

數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的有機(jī)結(jié)合，數(shù)控機(jī)床位置精度的補(bǔ)償原理正是應(yīng)用這一點(diǎn)。采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，即通過(guò)測(cè)量出各目標(biāo)位置的平均位置偏差，將偏差值疊加到插補(bǔ)指令上，從而使誤差得到抵消。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工的零件精度達(dá)不到要求時(shí)；數(shù)控機(jī)床經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，絲杠各個(gè)部分發(fā)生了不同程度的磨損，導(dǎo)致其位置精度下降時(shí)；或大修的數(shù)控機(jī)床，特別是絲杠、軸承、導(dǎo)軌和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)重新安裝時(shí)用于應(yīng)用激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床位置進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償十分必要。

華中數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控車(chē)床CAK3665sj經(jīng)過(guò)大修，Z軸絲杠重新安裝，用激光干涉儀進(jìn)行Z軸位置精度的檢測(cè)與補(bǔ)償。光路布局如圖1所示。

1. 激光光路的準(zhǔn)直

（1）準(zhǔn)備工作：機(jī)床必須調(diào)平，之后拆下主軸卡盤(pán)，目的是使測(cè)量和補(bǔ)償范圍盡可能大，包括加工零件經(jīng)常使用的部分。

圖1 激光干涉儀檢測(cè)數(shù)控車(chē)床Z軸位置精度

（2）激光干涉儀各部件的安裝與擺放（見(jiàn)圖2）：分光鏡和反射鏡安在一起組成干涉鏡組，將其安裝在數(shù)控車(chē)床的工作臺(tái)上，在測(cè)量過(guò)程中隨工作臺(tái)作Z軸方向的移動(dòng)。將橋尺安放在緊靠主軸的導(dǎo)軌上并調(diào)平，放置反射鏡在橋尺上，要求反射鏡、干涉鏡組安裝位置目測(cè)高度一致，并在同一Z軸軸線上，反射鏡在測(cè)量過(guò)程中是固定不動(dòng)的。根據(jù)鏡組的高度安裝三腳架，三腳架必須放置在堅(jiān)硬的地面上，不能安裝在木質(zhì)的踏板上。再將激光頭安裝在三腳架上。補(bǔ)償單元安裝在機(jī)床側(cè)身防護(hù)板上，空氣溫度傳感器，可安裝在機(jī)床防護(hù)板上，材料溫度傳感器，必須安裝在機(jī)床本體上。安裝激光頭數(shù)據(jù)線、傳感器數(shù)據(jù)線到筆記本電腦，之后打開(kāi)電腦，運(yùn)行線性測(cè)量軟件。

圖2 光學(xué)鏡的擺放

（3）干涉鏡的準(zhǔn)直：通過(guò)調(diào)節(jié)使Z軸在整個(gè)移動(dòng)范圍內(nèi)激光光束始終能擊中干涉鏡上的白色光靶，調(diào)節(jié)的要點(diǎn)是干涉鏡與激光頭靠近時(shí)，調(diào)整激光頭的位置，即調(diào)節(jié)云臺(tái)上平移旋鈕和三腳架的高度旋鈕。當(dāng)干涉鏡與激光頭遠(yuǎn)離時(shí)，調(diào)整激光頭的角度，即調(diào)節(jié)云臺(tái)上扭擺旋鈕和俯仰旋鈕。

（4）反射鏡的準(zhǔn)直：移動(dòng)工作臺(tái)，使干涉鏡與反射鏡靠近。調(diào)節(jié)反射鏡的位置和高度，使從干涉鏡射出的光束射到反射鏡光靶上。取下光靶，通過(guò)調(diào)節(jié)，使Z軸在整個(gè)移動(dòng)范圍內(nèi)測(cè)量光速與參考光束始終能夠重合，并準(zhǔn)確返回激光頭回光孔。此時(shí)光路準(zhǔn)直成功，激光頭上的光強(qiáng)指示燈五盞燈全顯示為綠色。

2. 數(shù)控機(jī)床Z軸的位置精度的檢測(cè)

光路準(zhǔn)直成功后，確定測(cè)量開(kāi)始點(diǎn)為－300mm；測(cè)量終點(diǎn)為0mm（Z軸參考點(diǎn)）。機(jī)床Z軸參考點(diǎn)必須是一個(gè)被測(cè)量和補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)，所以測(cè)量間隔選定50mm。測(cè)量時(shí)Z軸應(yīng)從負(fù)方向向正方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)編寫(xiě)程序及定義測(cè)量軟件，并滿足五遍測(cè)量的要求。

運(yùn)行測(cè)量程序，采集各個(gè)點(diǎn)的誤差數(shù)值，誤差值就是當(dāng)前激光讀數(shù)與當(dāng)前目標(biāo)位置之間的差值，并5遍采集數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析，誤差數(shù)據(jù)曲線如圖3所示，位置精度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 補(bǔ)償前位置精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) （單位：μm）

3. 生成補(bǔ)償數(shù)據(jù)

完成生成補(bǔ)償數(shù)據(jù)的參數(shù)定義，圖表類(lèi)型選擇“均值補(bǔ)償”，選擇依據(jù)是從誤差圖形上分析，反向間隙較為均勻。補(bǔ)償類(lèi)型選擇“絕對(duì)值”。相關(guān)參數(shù)定義如圖4所示。

補(bǔ)償數(shù)據(jù)如表2所列。

圖3 誤差數(shù)據(jù)曲線

圖4 誤差補(bǔ)償表格

表2 補(bǔ)償數(shù)據(jù) （單位：μm）

根據(jù)誤差補(bǔ)償圖表，完成華中世紀(jì)星系統(tǒng)軸（Z軸）補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置。補(bǔ)償后，再一次檢測(cè)數(shù)控車(chē)床Z軸位置精度，位置精度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 補(bǔ)償后位置精度數(shù)據(jù) （單位：μm）

補(bǔ)償前后定位精度、重復(fù)定位精度均得到很大的提高。通過(guò)補(bǔ)償，數(shù)控機(jī)床的性能得到極大的改善。發(fā)揮出最佳的機(jī)床性能。

4. 確保補(bǔ)償成功的操作要點(diǎn)

（1）根據(jù)機(jī)床的現(xiàn)狀，合理進(jìn)行光學(xué)鏡組的布局。光學(xué)鏡擺正，及平行于X軸或Z軸。

（2）三腳架必須放置在堅(jiān)硬的地面上，不能安裝在木質(zhì)的踏板上。在目測(cè)情況下盡量將激光頭放正，即垂直于數(shù)控車(chē)床的Z軸。云臺(tái)上的位置控制旋鈕預(yù)先調(diào)至中間位置，這樣可以極大地方便光路的準(zhǔn)直工作。

（3）準(zhǔn)直干涉鏡的操做要點(diǎn)：當(dāng)干涉鏡移近激光頭時(shí)，調(diào)節(jié)激光頭的位置，即平移和高度調(diào)節(jié)；當(dāng)干涉鏡遠(yuǎn)離激光頭時(shí)，調(diào)節(jié)激光頭的扭擺和俯仰旋鈕。

（4）測(cè)量時(shí)，被測(cè)軸必須從負(fù)方向朝正方向運(yùn)行，參考點(diǎn)必須是被測(cè)量及補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)。

（5）合理的選擇“均值補(bǔ)償”和“各自補(bǔ)償”方案。選擇依據(jù)是從誤差圖形上判斷，本例反向間隙較為均勻，可以選擇均值補(bǔ)償，否則各自補(bǔ)償效果會(huì)更好。

（6）補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入軸補(bǔ)償參數(shù)后，根據(jù)系統(tǒng)要求操作機(jī)床（重啟或復(fù)位）。再一次做位置精度檢測(cè)時(shí)，增量型編碼器的機(jī)床一定要執(zhí)行返回參考點(diǎn)操作，確保軸補(bǔ)償數(shù)據(jù)生效。

[1] 華中數(shù)控股份有限責(zé)任公司. HNC-21數(shù)控裝置參數(shù)說(shuō)明書(shū)[E]. 武漢：華中數(shù)控股份有限責(zé)任公司，2006.

[2] Renishaw 公司. 雷尼紹校準(zhǔn)產(chǎn)品培訓(xùn)教材[E]. 英國(guó)：Renishaw 公司，2009.