球桿儀檢測數(shù)控機(jī)床精度的方法研究

◎雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河南 三門峽 472000）

在影響數(shù)控機(jī)床加工精度的眾多因素中，機(jī)床的動態(tài)誤差是主要因素。因為機(jī)床的制造、安裝誤差必然會引起運(yùn)動的誤差，所以機(jī)床運(yùn)動精度對于精密加工而言不可或缺[1]。在數(shù)控機(jī)床運(yùn)動精度檢測方面，目前應(yīng)用較為廣泛的是雷尼紹激光干涉儀、球桿儀。與激光干涉儀相比，球桿儀在檢測機(jī)床的動態(tài)性能時，通過其圓軌跡測量曲線幾乎可以反映機(jī)床中所有誤差項，且具有測量精度較高、成本低[2]等優(yōu)點(diǎn)。此外，利用雷尼紹球桿儀測試軟件，不僅可以自動對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，得到如反向間隙、反向躍沖、伺服不匹配、垂直度、直線度等診斷值，還可分析出各誤差因素所占百分比。對于數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家而言，通常需要根據(jù)球桿儀診斷結(jié)果來確定誤差因素，進(jìn)而采取合理的措施來調(diào)整數(shù)控機(jī)床。在實際應(yīng)用中，很多時候會利用激光干涉儀配合球桿儀快速地調(diào)整機(jī)床。

1 雷尼紹球桿儀測量系統(tǒng)的組成及原理

雷尼紹球桿儀測試系統(tǒng)主要硬件由球桿儀和中心座組成，中心座上裝有中心杯，測量時還需要在機(jī)床主軸上安裝工具杯。測試時，首先要在機(jī)床上選定測試位置，安裝好中心座及中心杯；然后，在機(jī)床主軸上將工具杯安裝到適當(dāng)?shù)牡侗?；最后，安裝、調(diào)整球桿儀如圖1所示[3]。

球桿儀本身是一個精密線性傳感器，能精確測量出在球桿儀標(biāo)稱長度內(nèi)的伸縮量[4]。測量時，球桿儀一端吸附在主軸端的工具杯上，另一端吸附在中心座上的中心杯內(nèi)。當(dāng)機(jī)床按照所編制的程序進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)時，由于機(jī)床誤差必然會導(dǎo)致球桿儀桿長發(fā)生微小的伸縮量變化。球桿儀傳感器將這些變化量信號進(jìn)行處理后與計算機(jī)進(jìn)行無線通信，以QC20-W球桿儀為例，它使用藍(lán)牙技術(shù)與計算機(jī)進(jìn)行通訊，所以計算機(jī)上必須提供藍(lán)牙功能。如圖1所示，測量XY平面時，桿長變化值是兩個方向的綜合誤差，所以只能識別出兩個方向的誤差。設(shè)中心座上中心杯球心位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)O（0,0），P（x,y）為機(jī)床主軸端工具杯上球心位置坐標(biāo)。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動到目標(biāo)位置P（x,y）時，設(shè)機(jī)床實際位置為P'（x',y'），則機(jī)床的空間誤差可表示如下[4]：

式中，△x、△y為點(diǎn)P位置的位移誤差。設(shè)OP的理想半徑長度為R，△r為P點(diǎn)在半徑方向的誤差。因為測試過程中必然存在誤差，所以有下式成立：

如果不考慮二階以上的高次誤差項，且因為R=x2+y2，由（2）式可以簡化如下：

又因為x=Rcosθ，y=sinθ，所以可知點(diǎn)P處的球桿儀測試半徑誤差關(guān)系式如下：

公式（4）為球桿儀測試的基本方程式，在球桿儀測試過程中，沿360°圓周測試出所有，即可得到圓度誤差曲線。

3 球桿儀測試程序編制

球桿儀在測試過程中，機(jī)床在XY平面上驅(qū)動球桿儀繞中心座固定組件做360°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，需編制測試程序使數(shù)控機(jī)床驅(qū)動球桿儀運(yùn)行360°圓軌跡。為了保證球桿儀在數(shù)據(jù)采集圓軌跡時獲得恒定速度，通常使數(shù)據(jù)采集前后各有180°的角度越程。因此在編制數(shù)控機(jī)床程序時，要保證球桿儀在逆時針和順時針方向分別連續(xù)運(yùn)行兩個圓周。數(shù)控程序編制時，既可通過手工編寫典型的測試程序也可利用球桿儀測試軟件自動生成測試程序。不管采用哪種編程方式，在測試前，一定要對機(jī)床運(yùn)行程序進(jìn)行模擬調(diào)試，確保機(jī)床運(yùn)動軌跡正確后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測試。編程時，通常用G54指令將機(jī)床原點(diǎn)轉(zhuǎn)移到球桿儀中心座中心球的球心位置。下述程序為測試MVC400數(shù)控加工中心Y工作臺平面圓度時所編制的測試程序。

圖1 球桿儀測試系統(tǒng)

4 球桿儀測試診斷及誤差消除措施

以MVC400數(shù)控加工中心為例進(jìn)行球桿儀測試，測試系統(tǒng)硬件安裝過程如下：首先，在工作臺XY平面上安裝好中心座及中心杯；然后，在機(jī)床主軸上安裝好工具杯；最后安裝調(diào)整好QC20-W球桿儀，使球桿儀兩端中心球分別吸附在中心杯和工具杯。因為球桿儀標(biāo)準(zhǔn)長度為150mm，測試起始角度為0°，終止角度為360°，越程角度為180°，進(jìn)給率1000mm/min，所以在球桿儀測試軟件中需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成設(shè)置后即可打開藍(lán)牙通信聯(lián)機(jī)進(jìn)行圓度測量。在測試MVC400數(shù)控加工中心工作臺XY平面圓度時，中心座安裝在工作臺的中心位置，測試結(jié)果如圖2所示。在圖2中，不僅可以觀察到測試的圓度為44.2um，而且可以看到各項誤差診斷值及其在影響圓度誤差因素中所占的百分比和誤差診斷圖形。引起圓度誤差的因素中，X、Y軸垂直度誤差為101.9um/m，占比35%；比例不匹配誤差為17.2um，占比20%；反向躍沖和反向間隙分別占15%和8%。

4.1 垂直度誤差原因及消除

查閱球桿儀診斷手冊[5]，可知垂直度誤差為機(jī)器誤差，其誤差圖形呈橢圓形沿45°或135°對角方向拉伸變形如圖3所示。垂直度誤差圖形還具有在順時針和逆時針方向測試時，軸的拉伸方向相同、拉伸量不受進(jìn)給率的影響的特點(diǎn)[6]。當(dāng)垂直度誤差為正值表示兩軸正向夾角超過90°，為負(fù)值表示兩軸正向夾角小于90°。此處，垂直度誤差診斷值為101.9um/m，且圖2中誤差圖形與圖3類似，表明MVC400數(shù)控加工中心X軸與Y軸夾角大于90°。因為該數(shù)控加工中心使用時間較長，所以導(dǎo)致垂直度誤差的可能原因有如下幾種：機(jī)床導(dǎo)軌磨損導(dǎo)致的在坐標(biāo)軸運(yùn)動時軸中有一定間隙；機(jī)床軸剛性不夠?qū)е履承┎课徊恢?；兩軸間存在局部彎曲或機(jī)床軸可能整體不直。針對上述原因，可采取的措施是在機(jī)床的各部位重復(fù)測試，進(jìn)一步判斷垂直度誤差是否僅在局部發(fā)生還是影響整臺機(jī)床。如果誤差僅為局部，則在加工零件時應(yīng)使用機(jī)床上不受垂直度誤差影響的部位來加工。如果整臺機(jī)床均受垂直度誤差的影響，那么則應(yīng)重新調(diào)整機(jī)床坐標(biāo)軸。如果機(jī)床導(dǎo)軌出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，則需要更換導(dǎo)軌。

圖2 XY平面球桿儀診斷值及誤差圖形

4.2 比例誤差原因及消除

比例不匹配又稱比例誤差，指的是測試過程中被測軸間的行程差，其誤差圖形也為橢圓形如圖4所示。比例不匹配圖形的特點(diǎn)是沿0°或90°軸方向拉伸變形，拉伸變形不受數(shù)據(jù)采集順時針或逆時針方向的影響，且拉伸變形量大小不受進(jìn)給率的影響。比例不匹配誤差可通過將X軸直徑減去Y軸直徑得到，單位為微米。如果測得的比例不匹配值為正值，那么X軸移動距離超過Y軸；反之，則Y軸移動距離超過X軸。此處，比例不匹配值為17.2um，可見X軸移動距離超過Y軸。導(dǎo)致比例不匹配誤差的可能原因有如下幾種：滾珠絲杠故障導(dǎo)致絲杠螺距誤差；導(dǎo)軌不直或剛性不足導(dǎo)致機(jī)床可能存在角度誤差，使X軸和Y軸在移動時傾斜出測試平面。針對比例不匹配誤差原因，可采取的措施是檢查滾珠絲杠及機(jī)床導(dǎo)軌是否良好，若存在故障則應(yīng)通過調(diào)整絲杠螺距誤差或更換導(dǎo)軌來消除比例不匹配誤差，進(jìn)而提高機(jī)床運(yùn)動精度。

4.3 反向間隙、躍沖誤差原因及消除

機(jī)床反向間隙通常是由滾珠絲杠螺母副間隙、導(dǎo)軌副間隙等導(dǎo)致的機(jī)器在被驅(qū)動換向時出現(xiàn)的運(yùn)動停頓現(xiàn)象?？赡茉蛴腥缦聨追N：滾珠絲杠端部浮動、驅(qū)動螺母磨損、導(dǎo)軌磨損或滾珠絲杠預(yù)緊力過大引起絲桿扭轉(zhuǎn)等。因為機(jī)械零部件的制造、裝配誤差等原因，反向間隙不可能被全部消除，只要使其滿足機(jī)床運(yùn)動精度要求即可。若反向間隙過大時，一般需要根據(jù)測量的誤差值大小，先更換磨損的機(jī)器零件；然后，可利用數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補(bǔ)償方法進(jìn)一步減小反向間隙誤差。由圖2中的診斷值可知，X軸反向間隙誤差值為3.4um且影響因素百分比僅占8%，能夠滿足機(jī)床運(yùn)動精度要求。此外，由于影響機(jī)床精度的各誤差因素很多是相關(guān)聯(lián)的，所以通過垂直度誤差及比例誤差的消除，可能會使反向間隙誤差值進(jìn)一步減少,所以此處不必單獨(dú)考慮消除反向間隙誤差。

圖3 垂直度誤差圖形

圖4 比例誤差圖形

反向躍沖指的是當(dāng)機(jī)床坐標(biāo)軸向某一方向驅(qū)動，然后必須向相反方向反向移動，在換向處機(jī)床不是平穩(wěn)反向運(yùn)動而可能短時的黏性停頓。引起這種黏性停頓現(xiàn)象的原因有如下幾種：該坐標(biāo)軸驅(qū)動電機(jī)扭矩不夠，造成在換向處由于摩擦力的方向發(fā)生改變而出現(xiàn)黏性停頓；機(jī)床在進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償時伺服響應(yīng)時間不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致機(jī)床不能準(zhǔn)時地對反向間隙施加補(bǔ)償而出現(xiàn)停頓；伺服響應(yīng)在伺服換向點(diǎn)很差，導(dǎo)致坐標(biāo)軸運(yùn)動在換向時出現(xiàn)短暫延時。反向躍沖的消除方法如下：利用機(jī)床控制系統(tǒng)的去除尖峰能力來限制反向躍沖的影響；或者采用各種不同機(jī)器進(jìn)給率進(jìn)行一系列測試，找出該機(jī)器上反向躍沖對加工影響最小的進(jìn)給率，以便在圓弧插補(bǔ)過程中采用適合精加工的最佳進(jìn)給率。觀察圖2中的診斷值可知，X軸反向躍沖誤差最大值為4.0um且影響因素百分比僅占9%，Y軸反向躍沖誤差最大值為2.5um且影響因素百分比僅占6%，針對該機(jī)床實際情況，可進(jìn)行伺服優(yōu)化，通過調(diào)整伺服響應(yīng)時間來減小反向躍沖的影響。

5 結(jié)束語

利用球桿儀測量數(shù)控機(jī)床誤差是一種效率高、操作簡便且測量結(jié)果具有較高可信度的方法。球桿儀不僅能快速地對數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行檢測，還能分析出引起機(jī)床圓度誤差的各誤差項誤差值及其所占比例。在球桿儀診斷手冊中，針對各種誤差分析了誤差原因并提供了誤差消除的措施。對于從事數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)、調(diào)試、維修的一線技術(shù)人員而言，可根據(jù)測試結(jié)果結(jié)合球桿儀診斷手冊中的誤差消除措施對各誤差逐項消除，以提高機(jī)床調(diào)試工作效率。

參考文獻(xiàn):

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