數(shù)控機床位置精度的檢測及空間誤差補償在重型機床上的運用

朱威

[摘 要]隨著我國先進制造技術(shù)的快速發(fā)展，人們對數(shù)控機床位置精度的要求越來越高，檢測技術(shù)的不斷發(fā)展使得數(shù)控機床檢測技術(shù)的研究勢在必行，使用激光干涉儀對數(shù)控機床的定位精度檢測成為現(xiàn)在普遍應(yīng)用的手段，所以本文對數(shù)控機床位置精度的檢測及誤差補償進行具體的分析。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機床 位置 精度 檢測 誤差補償

中圖分類號：TG659 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）23-0313-01

一、保持?jǐn)?shù)控機床精度的重要性

隨著科技的快速發(fā)展，檢測技術(shù)已經(jīng)成為國家綜合發(fā)展的基礎(chǔ)，先進的檢測技術(shù)和手段，對于數(shù)控機床精度檢測是十分必要的，只有加強檢測手段，才能保證工件的加工精度和機械操作的準(zhǔn)確度，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

二、測量應(yīng)用

1.線性測量

要進行線性測量，需使用隨附的兩個外加螺絲將其中的一個線性反射鏡安裝在分光鏡上，組裝成“線性干涉鏡”。線性干涉鏡放置在激光頭和線性反射鏡之間的光路上，用它的反射光線形成激光光束的參考光路，另一束光入射到線性反射鏡，通過線性反射鏡的線性位移來實現(xiàn)線性測量。

2.角度測量

與線性測量原理一樣，角度測量需角度干涉鏡和角度反射鏡，測試時角度反射鏡和角度干涉鏡必須有一個相對旋轉(zhuǎn)，相對旋轉(zhuǎn)后兩束光的光程差就會發(fā)生變化，而光程差的變化會被激光干涉儀探測器探測出來，由軟件將線性位置的變化轉(zhuǎn)換為角度的變化顯示出來。

3.直線度測量

激光頭射出后的激光由直線度干涉鏡以一定的小角度分為兩束，并入射到直線度反射鏡中。經(jīng)直線度反射鏡反射后，沿著新光路返回到直線度干涉鏡中，經(jīng)直線度干涉鏡合束后返回激光頭的進光口，當(dāng)直線度干涉鏡偏離光線，則兩光束產(chǎn)生光束差，由激光干涉儀探測器探測出來，由軟件計算顯示出來。直線度測量原理在直線度測量過程中，一般盡可能的采用直線度干涉鏡相對于直線度反射的運動，這樣操作有利于提高測量的準(zhǔn)確性和精度。

三、探討和分析數(shù)控機床定位精度常見誤差曲線

隨著數(shù)控機床應(yīng)用的普及，采用激光干涉儀對數(shù)控機床進行定位精度檢測已經(jīng)成為目前公認(rèn)的高效、高精度的檢測方法。不同的機床使用激光干涉儀檢測的精度曲線會有所相同，因此需要對不同的測試結(jié)果給予全面而科學(xué)地分析。

1.負(fù)坡度

負(fù)坡度曲線向外運行和向內(nèi)運行兩個測試均出現(xiàn)向下的坡度。在整個軸線長度上，誤差呈線性負(fù)增加，這表示激光系統(tǒng)測量的距離短于機床位置反饋系統(tǒng)指示的距離。出現(xiàn)負(fù)坡度的可能原因有以下兩種：（1）光束準(zhǔn)直調(diào)整不正確。如果軸線短于1m則可能是材料熱膨脹補償系數(shù)不正確、材料溫度測量不正確或者波長補償不正確。（2）俯仰和扭擺造成阿貝偏置誤差、機床線性誤差。

針對以上問題，可采取的措施有：如果軸線行程很短，檢查激光的準(zhǔn)直情況；檢查EC10和測量頭是否已連接并有反應(yīng)；檢查輸入的手動環(huán)境數(shù)據(jù)是否正確；檢查材料傳感器是否正確定位以及輸入的膨脹系數(shù)是否正確；使用角度光學(xué)鏡組重新做一次測量，檢查機床的俯仰和扭擺誤差。

2.正坡度

正坡度曲線是指在整個軸線長度上，誤差呈線性正遞增。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有以下可能：（1）材料熱膨脹補償系數(shù)不正確、材料溫度測量不正確或波長補償不正確。（2）俯仰和扭擺造成阿貝偏置誤差、機床的線性誤差。

針對這些問題，可采取以下措施：檢查EC10和傳感器是否已連接并有反應(yīng)，或者檢查輸入的手動環(huán)境數(shù)據(jù)是否正確；檢查材料傳感器是否正確定位以及輸入的膨脹系數(shù)是否正確；使用角度光學(xué)鏡組重新做一次測量，檢查機床的俯仰和扭擺誤差。

3.周期性曲線

周期性曲線是整個軸線長度上的重復(fù)周期誤差。沿軸的俯仰保持不變，但幅度可能變化。導(dǎo)致周期性曲線的可能原因主要是機床方面的問題，如絲杠或傳動系統(tǒng)故障、編碼器問題或故障、長型門式機床軌道的軸線直線度。

針對以上問題建議采用很小的采樣點間隔在一個俯仰周期上再測量一次，確認(rèn)俯仰誤差。作為一項指導(dǎo)原則，如果你要檢查的是機床某元件的周期性影響，可將采樣間隔設(shè)為預(yù)期周期性俯仰的1/8，然后通過比較機床絲杠的螺距、齒條的齒距、編碼器、分解器或球柵尺俯仰、長型門式軌道的支撐點之間的距離等來確認(rèn)可能的誤差來源。例如，如果誤差周期是20mm，查閱機床手冊我們發(fā)現(xiàn)絲杠的導(dǎo)距也是20mm，顯然誤差可能與絲杠旋轉(zhuǎn)問題有關(guān)，絲杠可能在最近的一次維修或機床移動時被弄彎了，或者絲杠偏心旋轉(zhuǎn)。

4.偏移

偏移是指去程和回程兩次測試之間具有不變的垂直偏移。產(chǎn)生偏移曲線的可能原因主要是機床方面的問題，如反向間隙未補償或不當(dāng)補償、車架與導(dǎo)軌之間存在間隙（松動）等。

針對以上問題可采取以下解決措施：絲杠/滾珠絲桿驅(qū)動裝置；檢查球狀螺母或絲杠是否磨損；檢查絲杠軸承的端部浮動情況；使用角度光學(xué)鏡組檢查軸線反轉(zhuǎn)時的車架角度間隙；檢查控制器內(nèi)設(shè)置的反向間隙補償是否正確；機架和小齒驅(qū)動裝置；檢查牙是否正確嚙合；檢查齒輪箱是否磨損和線性編碼器系統(tǒng)的狀況。

四、空間誤差補償?shù)倪\用

1.補償原理

數(shù)控機床幾何精度常見的有21項誤差---以機床的三軸在空間移動為例，即每根軸的線性定位誤差、水平直線度誤差、垂直直線度誤差、俯仰角、偏擺角、滾動角，再加上三個軸兩兩之間（X到Y(jié)，Y到Z，Z到X）的垂直度，就得到了21項誤差數(shù)。

要將21項誤差對機器空間位置的影響完全消除，需要將各項誤差精確地檢測出來，并利用有關(guān)軟件，將檢測得到的誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具備相應(yīng)功能的數(shù)控系統(tǒng)所能接受的參數(shù)，提供給系統(tǒng)補償結(jié)果，從而提高機床空間精度。 在實際情況中，一臺機床的誤差原因會是多種誤差的疊加作用的結(jié)果，單一誤差測量顯然無法完全提高機床的幾何精度， 特別是在整臺機器的工作區(qū)域內(nèi)各方向的精度。這里就引入了空間誤差補償?shù)母拍睢?/p>

2.進行補償功能要采取的步驟

（1）利用激光干涉儀分別測量線性位移、直線度、俯仰角、扭擺角等，為RVC 軟件提供所需計算補償參數(shù)及誤差數(shù)據(jù)文件

（2）利用球桿儀測量各軸間的垂直度

（3）在840D sl1.3或更新版本中加載正確的ELF文件

（4）在機床工作空間范圍中采集測量數(shù)據(jù)， 評估偏差參數(shù)并將它們保存為數(shù)據(jù)文件

（5）將保存的文件拷入數(shù)控系統(tǒng)子目錄“Manufact.Cycles”（＼CMA） 中；點保存

（6）修改補償參數(shù)重啟后使之生效

（7） 驗證補償正確性

3.空間誤差補償存在的幾點問題

（1）若機床存在較大的反向躍沖、伺服不匹配等電器誤差，則即使進行空間誤差補償，也對該機床加工精度改善不大。所以進行空間誤差補償前最好用球桿儀對機床綜合精度狀況進行檢測評估。

（2）重復(fù)精度不好的機床即使進行空間誤差補償，補償效果也不明顯。

（3）對于精度要求高達5μm 左右的數(shù)控機床，建議對其使用環(huán)境應(yīng)該按三坐標(biāo)測量機的使用環(huán)境來要求，否則從長遠(yuǎn)來看機床自身因環(huán)境變化而帶來的精度變化將會在某種程度上削弱空間誤差補償?shù)男Ч?/p>

結(jié)語

數(shù)控機床的精度是衡量數(shù)控機床品質(zhì)的重要參數(shù)，采用激光干涉儀測量進行空間誤差補償，可以方便地分別對機床各項誤差進行測試并快速驗證補償效果，有利于我們找到機床機械問題，保證使用數(shù)控機床加工出的產(chǎn)品具有高精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)經(jīng)濟效益。

參考文獻

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