球桿儀對(duì)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)分析

趙艷妮

摘要： 數(shù)控機(jī)床是一種高精度工業(yè)加工母機(jī)，為了保證數(shù)控機(jī)床的高精度，需要使用檢測(cè)儀器進(jìn)行精度檢測(cè)與校正，本文講述使用雷尼紹球桿儀對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)及結(jié)果分析。

Abstract： CNC machine is a kind of high precision industrial processing tools. In order to ensure the high precision CNC machine tools， it needs to use the instrument of detection for precision detection and correction. This paper describes the use of Renishaw ballbar on CNC machine tool accuracy testing and results analysis.

關(guān)鍵詞： 球桿儀；數(shù)控機(jī)床；精度檢測(cè)；分析

Key words： Renishaw ballbar；CNC machine tool；precision detection；analysis

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）06-0158-02

0 引言

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展強(qiáng)調(diào)高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給率及具有高精密的切削加工，但常常由于機(jī)床制造間隙及使用過程中的一些問題會(huì)引起精度上的誤差，因此我們?cè)跈C(jī)床使用過程中我們常常就要用到球桿儀對(duì)數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行檢測(cè)。球桿儀能快速、方便、經(jīng)濟(jì)地評(píng)價(jià)和診斷數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度，適用于各種數(shù)控機(jī)床和立臥式加工中心等。本文將對(duì)球桿儀對(duì)數(shù)控機(jī)床檢測(cè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析并提出解決方案。

1 反向間隙-負(fù)值（機(jī)器誤差）

1.1 案例介紹

圖1所示， 有沿某軸線開始向圖形中心內(nèi)凹的臺(tái)階，隨著機(jī)器進(jìn)給率的變化，并不會(huì)影響負(fù)值反向間隙的大小。本圖中只在Y軸上顯示有負(fù)值反向間隙。

按反向間隙-正值所述同一方法進(jìn)行各種類型的反向間隙。并且，依據(jù)已知的負(fù)值可快速的獲取負(fù)值反向間隙。例如：臺(tái)階大小 （μm）

本例中，在Y軸正負(fù)兩個(gè)方向都存在大小一致為-14.2μm的負(fù)值反向間隙或失動(dòng)量。在這種情況下，機(jī)器上負(fù)值反向間隙會(huì)受到一定影響，具體的外在表現(xiàn)形式為圓弧插補(bǔ)的刀具軌跡將出現(xiàn)一向內(nèi)凹的跳躍。

1.2 原因分析

①機(jī)器的導(dǎo)軌中可能存在間隙，使得機(jī)器一旦被驅(qū)動(dòng)換向，就在運(yùn)動(dòng)中跳躍。②若機(jī)器的原有反向間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行一定補(bǔ)償，若反向間隙補(bǔ)償?shù)臄?shù)值過大，就會(huì)造成具有正值反向間隙問題的機(jī)器出現(xiàn)負(fù)值反向間隙。③若編碼器存在遲滯現(xiàn)象，機(jī)器會(huì)受到不利影響。

1.3 解決方案

①檢查數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置是否存在異常；②更換已經(jīng)出現(xiàn)磨損的機(jī)器零件；③檢查是否存在編碼器遲滯現(xiàn)象，并觀察機(jī)器是否因此受到不利影響；④參見正值反向間隙或不等值反向間隙。

2 反向間隙-正值（機(jī)器誤差）

2.1 案例介紹

圖2所示，沿某軸線開始有一個(gè)沿圖形中心外凸的臺(tái)階或數(shù)個(gè)臺(tái)階，隨著機(jī)器進(jìn)給率的變化，并不會(huì)影響負(fù)值反向間隙的大小。在本圖中，只在Y軸上顯示有正值反向間隙。

X軸及Y軸的反向間隙按下述格式進(jìn)行：反向間隙（μm）

在本案例中，Y軸正負(fù)軸雙方向都存在正值反向間隙或失動(dòng)量，且兩者大小一致，都為-14.2 μm。正值反向間隙顯示量化結(jié)果為正值，對(duì)應(yīng)其它類型的反向間隙。在這種形勢(shì)下，在機(jī)器上正值反向間隙的影響為圓弧插補(bǔ)的刀具軌跡將出現(xiàn)一短平臺(tái)。

2.2 原因分析

①若機(jī)器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在間隙，可能是由于滾珠螺桿端部浮動(dòng)或驅(qū)動(dòng)螺帽磨損造成的；

②若機(jī)器在被驅(qū)動(dòng)換向時(shí)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的停頓，可能會(huì)造成機(jī)器的導(dǎo)軌中存在間隙；

③結(jié)合反向間隙-不等值，若出現(xiàn)螺桿扭轉(zhuǎn)問題，可能是由于滾珠螺桿預(yù)緊力過大帶來的過度應(yīng)力造成的。

2.3 解決方案

①通過更換磨損的機(jī)器零件將機(jī)器導(dǎo)軌的間隙去除；

②若需要對(duì)機(jī)器中存在的反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償，可采取數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補(bǔ)償參數(shù)來設(shè)置；

③FANUC系統(tǒng)可使用參數(shù)1851對(duì)反向間隙進(jìn)行

補(bǔ)償。

3 反向間隙-不等值（機(jī)器誤差）

3.1 案例介紹

圖3表現(xiàn)出在某軸上雙向不等大小的反向間隙，或在具備反向間隙補(bǔ)償功能的機(jī)器上的某軸上雙向甚至出現(xiàn)相反符號(hào)的反向間隙。在本圖中僅在Y軸上顯示有不等值反向間隙。

各種反向間隙均如正值反向間隙所述以相同方式，在同一軸的正負(fù)方向可能出現(xiàn)很大的數(shù)值差，或在同一軸的正負(fù)方向出現(xiàn)正值和負(fù)值反向間隙。

3.2 原因分析

由于滾珠螺桿中過大扭曲而引起反向間隙的影響，它相對(duì)該軸滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)端的不同位置而引起不等值反向間隙類型的圖形?？梢栽诰哂蟹聪蜷g隙補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器上將該差異調(diào)整均化，導(dǎo)致在該軸出現(xiàn)相對(duì)臺(tái)階。該扭曲可能由于螺桿磨損、螺帽損壞及導(dǎo)軌磨損，這種類型的反向間隙若出現(xiàn)在立軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試中，多半可能為平衡的影響。這樣對(duì)加工帶來的影響是，在軸的不同部位，機(jī)器加工零件的誤差幅度有所不同。endprint

3.3 解決方案

①將作用在機(jī)器的所有反向間隙補(bǔ)償值去除，讓機(jī)器的問題徹底的暴露出來。

②若機(jī)器的滾珠螺桿或?qū)к壌嬖谀p問題，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行維修或更換。

③若在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)不等值反向間隙圖，問題的關(guān)鍵可能就在平衡零件，應(yīng)針對(duì)此采取有效應(yīng)對(duì)措施。

4 機(jī)床X-Y軸的垂直度（機(jī)器誤差）

4.1 案例介紹

如圖4所示具有橢圓或花生形狀，沿45度或135度對(duì)角拉伸變形，在順時(shí)針和逆時(shí)針方向測(cè)試時(shí)軸的拉伸方向相同。拉伸量不受進(jìn)給率的影響。參見伺服不匹配。

垂直度誤差按下述格式進(jìn)行：垂直度 25.3 μm/m。

該值表示在測(cè)試平面內(nèi)兩軸間小于90度的夾角。該值表示垂直度誤差，理論上兩軸應(yīng)相互完全垂直。若兩軸正向夾角小于90度，垂直度誤差為負(fù)值；若兩軸正向夾角大于90度，垂直度誤差為正值。在這些情形下得到的圖形如圖4所示，診斷軟件顯示的垂直度值為 q。垂直度誤差對(duì)機(jī)器加工工件的影響是會(huì)使其表面間不垂直。

4.2 原因分析

①垂直度誤差是指在機(jī)器測(cè)試部位機(jī)器的X軸和Y軸相互間不為90度，兩軸有局部彎曲或機(jī)器軸整體未調(diào)直。②某些部位不直，可能是由于機(jī)器軸剛性不夠造成的；③機(jī)器在運(yùn)動(dòng)時(shí)在軸中有一定間隙，可能是由于機(jī)器導(dǎo)軌過度磨損造成的。

4.3 解決方案

①在機(jī)器的各部位重復(fù)測(cè)試，分析垂直度誤差對(duì)機(jī)器造成的影響是局部的還是整臺(tái)，若誤差只影響到了局部，在加工時(shí)盡量選擇未受影響的部位即可。②若誤差影響到了整臺(tái)機(jī)器，應(yīng)重新調(diào)整機(jī)器軸，必要的情況下還需要更換磨損零件。

5 結(jié)語

隨著數(shù)控機(jī)床使用，各機(jī)械部件會(huì)損耗，精度會(huì)下降，為了保證機(jī)床加工精度，使用球桿儀對(duì)其精度進(jìn)行檢測(cè)，并通過參數(shù)補(bǔ)償或機(jī)械備件更換予以修復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鄉(xiāng)亮.FANUC控制器高速高精度輪廓切削控制參數(shù)調(diào)整[J].機(jī)械工業(yè)，2006，2：19-21.

[2]曹利波.利用激光干涉儀對(duì)機(jī)床定位精度的快速檢測(cè)[J]. 紅外與激光工程，2008，32：201-203.

[3]商鵬.基于球桿儀的高速五軸數(shù)控機(jī)床綜合誤差建模與檢測(cè)方法[D].天津大學(xué)，2008.endprint