大型五軸數(shù)控機(jī)床圓度誤差測試與分析

吳玉亮，譚智，朱鐵軍

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

0 引言

大型五軸數(shù)控機(jī)床的圓度精度是一個(gè)重要的性能技術(shù)指標(biāo)，其好壞直接影響機(jī)床運(yùn)行加工零件的精度[1-3]。而且五軸機(jī)床運(yùn)行中在很多情況下需要進(jìn)行多軸聯(lián)動，而直線軸的兩軸聯(lián)動多為基礎(chǔ)的運(yùn)動形式，如果其精度超差將大大降低五軸機(jī)床的可用性和高精度加工特性。圓度測試是評判兩軸聯(lián)動精度的最常用測試方式和手段。所以開展大型五軸數(shù)控機(jī)床的圓度測試非常有必要。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對于數(shù)控機(jī)床的兩軸聯(lián)動的圓度誤差研究的較多。例如虞敏[4]、封志明等[5]利用球桿儀進(jìn)行了五軸機(jī)床的RTCP誤差測試與補(bǔ)償，推導(dǎo)了RTCP誤差元素求解方法，并通過誤差補(bǔ)償試驗(yàn)驗(yàn)證誤差求解方法的準(zhǔn)確性和有效性；況康等[6]對小型立式加工中心在不同進(jìn)給速度下進(jìn)行了圓度測試和分析，給出3個(gè)平面的圓度誤差，得出伺服不匹配使得進(jìn)給速度增大、圓度誤差增大的結(jié)論；陳金英等[7]通過球桿儀做了小型立加的不同的兩個(gè)位置圓度誤差測試，得出位置不同的兩個(gè)圓度誤差也不同，但是況康[6]和陳金英等[7]均未對影響因素產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析；林小凡[8]、王家興[9]、袁洞明[10]、Lee等[11]進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床的圓度誤差測試與補(bǔ)償，為減小圓度誤差進(jìn)行試驗(yàn)探索。

目前機(jī)床圓度誤差的研究方法比較多，但是較為系統(tǒng)地分析影響因素的產(chǎn)生原因的比較少，而且大型五軸機(jī)床對于圓度誤差的綜合性實(shí)驗(yàn)研究和分析也比較少見。因此，本文對大型五軸數(shù)控機(jī)床在不同位置、不同進(jìn)給速度及不同測試半徑進(jìn)行了圓度測試，對圓度的各影響因素進(jìn)行了分類和分析，并根據(jù)測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析反映出機(jī)床真實(shí)圓度精度狀況并總結(jié)圓度誤差變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的零件切削和圓度調(diào)整的建議。

1 大型五軸數(shù)控機(jī)床圓度誤差影響因素分析

大型五軸數(shù)控機(jī)床由于其質(zhì)量較大，結(jié)構(gòu)和工作運(yùn)動空間較大，圓度誤差的影響因素比小型機(jī)床的作用更為突出，主要體現(xiàn)為局部空間影響因素不同及伺服軸控制更需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。圓度誤差的影響因素從大的方向上可以分為機(jī)床幾何精度影響因素和伺服軸控制影響因素兩方面。

1.1 主要的幾何精度影響因素

由于機(jī)床的零部件存在加工誤差、裝配誤差，會在進(jìn)給軸圓插補(bǔ)軌跡運(yùn)動中對圓度誤差有較大影響。主要幾何影響因素有：

1）軸間的垂直度。使得正向圓和逆向圓都表現(xiàn)為45°或135°的橢圓。

2）單軸的直線度。其存在單軸局部誤差的不同情況，主要體現(xiàn)于測試的圓周上存在3個(gè)突出部位，呈“鴨梨型”。

3）單軸定位誤差。使得圓在軸線方向上呈長短軸的正橢圓。

4）單軸的反向間隙。使得單向圓在單軸換向點(diǎn)上產(chǎn)生半圓錯(cuò)位。

5）周期性誤差。由于絲杠缺陷或軸承缺陷等在圓周上產(chǎn)生的周期性波動誤差變化。

6）橫向間隙誤差。由于導(dǎo)軌的非導(dǎo)向方向存在松動，使得正向圓和逆向圓呈現(xiàn)錯(cuò)位形態(tài)。

依據(jù)以往測試經(jīng)驗(yàn)來看，對于大型機(jī)床常見的作用較大的幾何誤差影響因素有垂直度誤差、直線度誤差、反向間隙及定位精度誤差等。主要因?yàn)榇笮蜋C(jī)床的各個(gè)單軸行程較長，這些誤差在局部范圍內(nèi)存在差異性，使得機(jī)床單軸的相關(guān)誤差對圓度測試的影響表現(xiàn)得較為突出。

1.2 控制影響因素

伺服軸的控制能力體現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動對伺服軸機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行能力的控制，在進(jìn)行圓插補(bǔ)軌跡運(yùn)動時(shí)，如果機(jī)械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動的匹配性不好，是極易使得圓度超差的。圓度的控制影響因素主要有：

1）反向躍沖。伺服軸換向存在黏滯情況，體現(xiàn)在伺服控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的反向執(zhí)行力欠缺，使得圓換向點(diǎn)出現(xiàn)“尖峰”形態(tài)。

2）伺服不匹配。插補(bǔ)圓時(shí)兩個(gè)伺服軸的動態(tài)匹配特性較差，步調(diào)不一致，存在快慢軸狀態(tài)，使得正向圓和逆向圓呈現(xiàn)出分別沿45°和135°的橢圓。

3）爬行。在單軸換向附近，伺服軸處于低速狀態(tài)下，伺服軸控制呈現(xiàn)有噪聲蠕動的狀態(tài)，使得圓在換向位置兩側(cè)存在不規(guī)則噪聲抖動形態(tài)。

大型五軸數(shù)控機(jī)床的圓度誤差的控制影響因素常見的主要有反向躍沖及伺服不匹配等，主要因?yàn)榇笮蜋C(jī)床結(jié)構(gòu)件、運(yùn)動件體積、質(zhì)量較大，需要大功率的電動機(jī)和驅(qū)動，控制的精細(xì)程度相對較弱。如果想提高機(jī)床圓度精度，減小控制影響因素的作用，就需要對數(shù)控系統(tǒng)的電氣參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化的調(diào)整，達(dá)到控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)最佳匹配狀態(tài)。

2 圓度誤差測試

為了評價(jià)大型五軸數(shù)控機(jī)床的圓度精度特性及查找圓度誤差的實(shí)際突出作用的影響因素，為大型機(jī)床圓度精度調(diào)整提供結(jié)果依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了圓度測試實(shí)驗(yàn)。主要包括：不同位置的圓度誤差測試、同一位置不同進(jìn)給速度的圓度測試及不同測試半徑的圓度測試。

本實(shí)驗(yàn)主要采用球桿儀（QC20-W）進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)位置主要選取工作臺（6000 mm×2000 mm）中心及四周共5 個(gè)測量位置，具體測試的位置布局如圖1所示。

圖1 測試位置的布局

測試主要過程為：在位置1至位置5上，采用相同的進(jìn)給速度和桿長進(jìn)行各自位置的圓度測試。在位置1不改變機(jī)床的進(jìn)給速度前提下，通過改變球桿儀測試桿長進(jìn)行不同的測試半徑的圓度誤差測試。并且在位置1不改變球桿儀桿長的前提下，通過改變進(jìn)給速度進(jìn)行不同速度的圓度誤差測試。測試現(xiàn)場如圖2 所示。具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1～表3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場

表1 不同位置的圓度誤差實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 位置1不同進(jìn)給速度的圓度誤差實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表3 位置1不同測試半徑的圓度誤差實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 不同測試位置的圓度誤差測試的結(jié)果及分析

圖3給出不同測試位置的圓度誤差結(jié)果，從結(jié)果可以看出圓度誤差的范圍為13.7～20.9 μm，不同位置的圓度誤差的差異相對比較大，工作臺中心（位置1）的圓度誤差最小，機(jī)床內(nèi)側(cè)位置4最差，從結(jié)果的差異性來看，要想提高加工工件的圓度精度，切削應(yīng)該選擇工作臺的中心位置。圓度誤差的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同測試位置圓度誤差結(jié)果

圖4給出位置1和位置4的具體圓度誤差結(jié)果，從球桿儀軟件的具體結(jié)果主要影響因素占比可以看出，不同位置的圓度誤差影響因素不同。主要原因是：由于大型機(jī)床的本身各個(gè)單軸的幾何誤差在局部存在差異，大型機(jī)床結(jié)構(gòu)件較大、質(zhì)量較重，機(jī)床運(yùn)行到不同位置時(shí)，機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)剛度及各構(gòu)件的撓度變形等都會發(fā)生改變，各位置機(jī)床的形態(tài)不同，從而影響到機(jī)床的兩軸運(yùn)動圓插補(bǔ)的精度。位置1和位置4的具體圓度誤差結(jié)果如圖4所示。

圖4 位置1和位置4的具體圓度結(jié)果

3.2 不同進(jìn)給速度的圓度誤差測試的結(jié)果及分析

通過位置1不同進(jìn)給速度的圓度誤差結(jié)果分析可知，當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，XY和YZ平面的圓度誤差明顯都存在增大的趨勢。低速情況圓度精度相對較好，在零件切削時(shí)，在切削效率允許的情況下可以適當(dāng)降低進(jìn)給速度。

還可以看出，圓度誤差的控制影響因素起到主要作用，影響比例達(dá)到30%～50%，反向躍沖也呈現(xiàn)增大趨勢。主要是因?yàn)樵谶M(jìn)給速度增大時(shí)，相同半徑圓插補(bǔ)運(yùn)動的向心加速度隨著進(jìn)給速度的增大而增大，軸圓插補(bǔ)運(yùn)動對單軸控制要求增大，單軸加減速啟停的平穩(wěn)性更不易控制。若想減小反向躍沖的影響，可以適當(dāng)調(diào)整伺服軸換向時(shí)的反向加速度及加速時(shí)間；對于伺服不匹配可以適當(dāng)增加調(diào)整單軸的積分時(shí)間、位置增益、速度及加速度等伺服參數(shù)來解決。不同進(jìn)給速度的圓度誤差結(jié)果如表4所示。

表4 位置1不同進(jìn)給速度的圓度誤差結(jié)果

3.3 不同測試半徑的圓度誤差測試的結(jié)果及分析

圖5為不同測試半徑的圓度誤差測試結(jié)果，通過圖5可知，不同半徑下，圓度的測試結(jié)果的誤差范圍較小，范圍在12.0～13.7 μm之間，圓插補(bǔ)運(yùn)動的半徑改變對圓度的影響較小。

圖5 不同測試半徑圓度誤差結(jié)果

還可知，反向躍沖的大小隨著半徑的增大而減小，經(jīng)分析，主要因?yàn)榘霃皆龃?，圓的相對曲率減小，相對的向心加速度減小，對伺服軸的控制能力要求相對減弱，伺服軸的執(zhí)行力更易于控制。

反向躍沖是最主要的影響因素，其減小應(yīng)該使得圓度誤差測試結(jié)果減小，但測試的總體圓度誤差結(jié)果變化不大并略有增加。分析其原因主要是測試半徑增大，測試的范圍也相應(yīng)增大，機(jī)床的幾何誤差（如軸間垂直度誤差、直線度誤差、定位誤差等）都有所改變，所有影響因素的相互作用和綜合影響而產(chǎn)生這樣的測試結(jié)果。

4 結(jié)論

本文通過球桿儀分別做了大型五軸數(shù)控機(jī)床的不同位置、不同進(jìn)給速度及不同測試半徑的圓度誤差測試，并對大型五軸數(shù)控機(jī)床的圓度影響因素進(jìn)行分析和總結(jié)。根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行了具體分析，得到以下結(jié)論：不同位置由于幾何誤差的不同圓度誤差存在差異；不同進(jìn)給速度時(shí)，低速狀態(tài)下圓度精度較好，進(jìn)給速度增大控制影響因素為主要影響因素，進(jìn)給速度增大則圓度誤差增大；測試半徑的改變對圓度的影響較小。同時(shí)針對相應(yīng)結(jié)論提出了選擇合適工件加工位置及合適進(jìn)給速度等加工建議和控制影響因素調(diào)整建議等。本文的結(jié)論和建議將對機(jī)床設(shè)計(jì)、研發(fā)等相關(guān)技術(shù)人員提供一定的技術(shù)參考。