激光干涉儀在幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)上的實(shí)踐

溫劍藝

摘 要：幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)就是通過對機(jī)床加工指令和機(jī)床參數(shù)進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)減少機(jī)床幾何誤差和提高加工精度的誤差補(bǔ)償方法。本文介紹了三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的檢測方法、建模理論、軟件補(bǔ)償技術(shù)，利用中圖儀器SJ6000激光干涉儀在不改變機(jī)床的硬件的前提下對ZXK-32D三軸立式數(shù)控銑床的幾何誤差進(jìn)行測量、建模，實(shí)施誤差補(bǔ)償，驗(yàn)證幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)。

關(guān)鍵詞：幾何誤差；三軸立式數(shù)控銑床；激光干涉儀；軟件補(bǔ)償技術(shù)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】1008-1216（2016）07C-0094-02

零件的制造、設(shè)備安裝和保養(yǎng)及長時(shí)間運(yùn)行零件間的相互摩擦造成的磨損等導(dǎo)致機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生，是加工精度降低的主要因素。為了提高機(jī)床的加工精度，需要對機(jī)床進(jìn)行幾何誤差補(bǔ)償。有研究表明，數(shù)控機(jī)床在溫度變化影響不大的情況下幾何誤差較為穩(wěn)定，因此，提高機(jī)床精度可采取誤差補(bǔ)償?shù)姆绞?。對于誤差的產(chǎn)生、檢測和補(bǔ)償國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究分析，并在各自的理論基礎(chǔ)上分別建立了數(shù)控機(jī)床幾何誤差運(yùn)動數(shù)學(xué)模型和誤差辨識模型，為誤差補(bǔ)償?shù)难芯繉?shí)踐提供了方向。

一、三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差檢測方法

機(jī)床的幾何誤差是機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的誤差，即為幾何誤差，包括機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀和相互位置誤差、零件尺寸誤差和裝配誤差。三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差理論上可達(dá)21種。從目前認(rèn)可的研究結(jié)果來看，誤差辨識方法主要有幾類：單項(xiàng)誤差直接測量、綜合誤差測量和間接測量法。

（一）單項(xiàng)誤差直接測量法

單項(xiàng)誤差直接測量法是利用相關(guān)測量儀器依據(jù)測量基準(zhǔn)，對數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)幾何誤差逐一測量，即可得到分離的單項(xiàng)幾何誤差參數(shù)，適用于一些傳統(tǒng)的檢測量具。例如，可利用電子水平儀測量數(shù)控機(jī)床的剩余轉(zhuǎn)角誤差；可利用雙頻激光干涉儀裝置測量數(shù)控銑床的直線性誤差。

（二）綜合誤差測量參數(shù)辨識法

綜合誤差測量參數(shù)辨識法是采用“數(shù)學(xué)辨識模型+特定點(diǎn)空間位置誤差”測量機(jī)床在運(yùn)行正常的情況下出現(xiàn)的誤差，并獲得單項(xiàng)誤差數(shù)據(jù)。綜合誤差辨識是先通過數(shù)學(xué)建模，然后基于模型對其測量點(diǎn)的綜合誤差進(jìn)行分離辨識，從而間接得到機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差離散值。

二、三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的建模理論

按認(rèn)可的觀點(diǎn)，誤差建模是三軸數(shù)控銑床誤差測量、誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。根據(jù)多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)理論和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論，把三軸立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)示意圖（如圖1所示）和抽象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（如圖2所示），可以以立柱、床身（固定軸1）為基礎(chǔ)建立2個(gè)分支和3個(gè)運(yùn)動軸，兩個(gè)分支終端是工件4和刀具6。

三、幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)

幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)是一種直接作用于機(jī)床的誤差補(bǔ)償方法，通過對數(shù)控機(jī)床加工指令進(jìn)行修改達(dá)到提高加工精度、減少幾何誤差的目的。目前，數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償多采取軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，分?jǐn)?shù)控程序算法修正和控制器修正?？刂破餮a(bǔ)償可分為嵌入軟件和參數(shù)修正。數(shù)控程序算法修正是指將程序在數(shù)控加工環(huán)節(jié)和后處理環(huán)節(jié)中的處理，數(shù)控程序補(bǔ)償可分為后處理器和數(shù)控指令修正。

三軸立式數(shù)控銑床是通過數(shù)控指令控制刀具的切削運(yùn)動。基于多體系統(tǒng)理論，采取軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shù)控指令進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)時(shí)調(diào)整刀具中心運(yùn)動提高加工精度。幾何誤差補(bǔ)償軟件補(bǔ)償可分為仿真模塊、建模模塊、補(bǔ)償模塊、測量模塊四部分，其原理是通過誤差補(bǔ)償軟件修改數(shù)控指令，用修正后的數(shù)控指令驅(qū)動數(shù)控機(jī)床，調(diào)整刀具中心運(yùn)動軌跡，減少刀尖實(shí)際位置與理論位置之間的誤差，提高加工精度。其中，仿真模塊是利用UG、CAXA等軟件可快速、直觀對比補(bǔ)償前后程序的仿真效果；建模模塊是通過設(shè)置一系列的參數(shù)（如機(jī)床切削參數(shù)、刀具尺寸、設(shè)置坐標(biāo)系等）實(shí)現(xiàn)三軸數(shù)控機(jī)床誤差模型的建立；補(bǔ)償模塊是依據(jù)測量的誤差數(shù)據(jù)和誤差補(bǔ)償模型補(bǔ)償或者修正導(dǎo)入數(shù)控程序的誤差；測量模塊是通過檢測獲取原始數(shù)據(jù)，包括X軸幾何誤差、Y軸幾何誤差、Z軸幾何誤差、垂直幾何誤差。

四、激光干涉儀測量與建模

激光干涉儀測量一般屬于一維的準(zhǔn)靜態(tài)測量方法。激光干涉儀可在較快的位移速度下測量較大的距離，測量精度高，一般為0.1μm，可用于檢測直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度等幾何誤差。激光干涉儀穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，能對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理，適合在一般車間條件下使用。

本次使用的中圖儀器SJ6000激光干涉儀不僅能自動測量機(jī)器的誤差，還能通過RS232接口自動對其線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，比通常的補(bǔ)償方法節(jié)省了大量時(shí)間，避免了手工計(jì)算和手動數(shù)控鍵入而引起的操作者誤差。同時(shí)還可最大限度地選用被測軸上的補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，使機(jī)床達(dá)到最佳精度。另外操作者無需具有機(jī)床參數(shù)及補(bǔ)償方法的知識。激光干涉儀，可以對X、Y、Z三軸進(jìn)行分別測量，可以測得滾動、偏擺、俯仰以及位置度誤差。操作如下：

X軸測量：固定Y軸和Z軸，X軸從A0點(diǎn)移動到A點(diǎn)，測取數(shù)值。

Y軸測量：固定X軸和Z軸，Y軸從B0點(diǎn)移動到B點(diǎn)，測取數(shù)值。

Z軸測量：固定X軸和Y軸，Z軸從C0點(diǎn)移動到C點(diǎn)，測取數(shù)值。

五、軟件補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

ZXK-32D三軸立式數(shù)控銑床曾經(jīng)被洪水浸泡，同時(shí)維護(hù)保養(yǎng)跟不上，長久使用后精度明顯降低。本次實(shí)驗(yàn)旨在嘗試提高數(shù)控銑床精度，在不改變機(jī)床的硬件的前提下，對其進(jìn)行建模測量和實(shí)施誤差補(bǔ)償，分別比較驗(yàn)證軟件補(bǔ)償前后加工數(shù)據(jù)，以判斷軟件補(bǔ)償技術(shù)是否有效。

ZXK-32D型三軸立式數(shù)控鐵床（廣州數(shù)控機(jī)床有限公司）的基本參數(shù)為：工作臺面積（寬×長）320mm×900mm ；型槽（槽數(shù)-槽寬×槽距）3-14×100；工作臺承載工件重量300kg；工作臺左右行程（X向）550mm；工作臺前后行程（Y向）320mm；主軸箱上下行程（Z向）300mm；主軸端面距工作臺面距離50～350mm；主軸中心線至立柱導(dǎo)軌面距離300mm；主軸錐孔MT4主軸電機(jī)功率1.5/2.2KW；主軸轉(zhuǎn)速范圍 （6級） 265～1815 r.p.m；進(jìn)給速度1～1500 mm/min；快速移動速度3m/min；線性坐標(biāo)的定位精度X/Y/Z： 0.04/0.03/0.03 mm；線性坐標(biāo)的重復(fù)定位精度X/Y/Z： 0.02/0.015/0.015 mm。

綜合考慮各種因素，本次三軸數(shù)控銑床的幾何誤差的設(shè)備使用中圖儀器SJ6000激光干涉儀采用直接測量法。試驗(yàn)零件如圖6所示，具體毛坯參數(shù)： 200mm×200mm×30mm，鋁。零件加工中的具體參數(shù)為：直柄鍵槽銑刀Φ10mm，三軸數(shù)控銑床主軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，切削進(jìn)給速度為80 mm/min。在進(jìn)行零件加工的時(shí)候，為了最大限度地降低切削力誤差造成影響，前后兩次零件的試切均選擇小切削量低速進(jìn)給的加工方法。

直線度值的測量選用DRAGON1075型手動三坐標(biāo)測量機(jī)，測量點(diǎn)選擇如圖3所示，工件四邊直線（1，2，3，4）和工件對角線（5-7，6-8）。點(diǎn)心偏差的測量則選?、顸c(diǎn)中心建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，再在Ⅱ點(diǎn)、Ⅲ點(diǎn)、Ⅳ點(diǎn)分別測量相對位置，在加工測量前后注意比較理想坐標(biāo)值和實(shí)際測量的坐標(biāo)值，驗(yàn)證試驗(yàn)工件的相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

從以上兩個(gè)表格數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控機(jī)床在幾何誤差軟件補(bǔ)償后，機(jī)床直線加工精度和定點(diǎn)運(yùn)動精度都得到了提高。

六、結(jié)束語

實(shí)踐證明，本次將軟件補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用到三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的修正中，雖然受到檢測設(shè)備成本和檢測補(bǔ)償技術(shù)水平的限制沒能從各個(gè)方面做出更詳細(xì)檢測和補(bǔ)償，但數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，軟件補(bǔ)償技術(shù)能有效提高機(jī)床的加工精度。

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