數(shù)控機床的精度檢測與誤差補償

李 凱

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，河南洛陽 471000）

0 引言

數(shù)控機床因其加工精度高、可靠性高、柔性好等優(yōu)勢作為現(xiàn)代制造技術的關鍵設備用來加工高精度復雜曲面零件。在航空航天等高精尖制造領域，大部分產(chǎn)品的零部件需采用數(shù)控機床進行加工。對數(shù)控機床的精度檢測進行探究，升級檢測手段，尋找數(shù)控機床精度檢測過程中易發(fā)生的問題并優(yōu)化，是保證數(shù)控機床加工精度的必要環(huán)節(jié)。

1 數(shù)控機床的加工誤差

1.1 產(chǎn)生原因

數(shù)控機床加工誤差產(chǎn)生的原因有：①數(shù)控機床的床身、立柱、絲杠、導軌等零部件在加工制造及裝配過程中存在幾何誤差；②機床在使用過程中，由于自身所處的環(huán)境變化會導致熱變形誤差；③在機床切削零件過程中由振動導致誤差和反饋系統(tǒng)響應不及時導致的反饋誤差；④在伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的跟隨誤差等。這些影響因素相互疊加，導致零件實際加工精度與理論計算出現(xiàn)偏差。

1.2 提高數(shù)控機床精度的途徑

機床精度誤差對工件加工精度影響很大，為縮減機床誤差，可從以下7 個方面著手考慮：①提高主軸的回轉(zhuǎn)精度；②減小機床導軌的運動誤差；③提高機床傳動系統(tǒng)的精度；④提高機床的重復定位精度；⑤縮減機床反饋裝置的誤差；⑥縮減力誤差產(chǎn)生的變形；⑦縮減熱變形產(chǎn)生的誤差。

2 數(shù)控機床的精度檢測

2.1 干涉鏡工作原理

干涉鏡包括一個單一波長的單色光源，一個分光鏡（半銀色的透鏡），兩個反射鏡。光源在分光鏡表面分開，1/2 光束呈90°反射到固定距離透鏡1，1/2 光束透過分光鏡到達可移動的透鏡2，透鏡1 與透鏡2 互相垂直，這樣兩個透鏡反射回來的光相互平行，并且向同一方向反射回去。如果兩個透鏡與分光鏡的距離相同，則反射光束發(fā)生“相長性干涉”，此時反射光較亮。如果改變透鏡2 的距離，使其位置偏移大約1/4 光源波長，則反射光發(fā)生“相消性干涉”，此時反射光較暗。在已知單色光波長的情況下，通過計算移動透鏡時的明暗光變化次數(shù)來確定透鏡2 的移動距離。

2.2 線性軸精度檢測原理

雷尼紹XL 系統(tǒng)通過將一個反射鏡固定在分光鏡上，形成一個固定長度的基準臂，另一個反射鏡相對分光鏡可以移動，形成可變長度的測量臂，實現(xiàn)對線性軸精度測量。

從XL 系統(tǒng)發(fā)出單一頻率的激光束①，其波長已知且穩(wěn)定，到達分光鏡被分成反射光②和透射光③，這兩道光通過反射鏡反射后，透過分光鏡形成干涉光束④，如果光程沒有變化，探測器會在相長性和相消性干涉的兩極間得到穩(wěn)定的信號。如果光程發(fā)生變化，則探測器會得到變化的信號，通過變化的信號來計算出光程的變化，確定反射鏡的移動距離（圖1）。

圖1 XL 激光器系統(tǒng)

2.3 直線軸定位精度、重復定位精度檢測結(jié)果分析

本次選取一臺龍門銑床作為案例，對該機床的直線軸（X 軸、Y 軸、Z 軸）進行定位精度及重復定位精度檢測，分析檢測結(jié)果并對各軸精度進行補償（圖2～圖4）。

圖2 對X 軸進行精度檢測

圖3 對Y 軸進行精度檢測

圖4 對Z 軸進行精度檢測

2.3.1 對X 軸進行精度檢測并對檢測結(jié)果進行分析

采取VDI 3441 標準分析未進行精度補償前的X 軸定位精度檢測結(jié)果（表1）。

表1 補償前X 軸定位精度檢測結(jié)果 mm

利用數(shù)據(jù)分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行分析，繪制誤差補償表，使用絕對值補償?shù)姆椒?，在機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補償值，數(shù)據(jù)生效后重新運行檢測程序，檢測X 軸的定位精度及重復定位精度。采取VDI 3441 標準分析補償后的X 軸精度檢測結(jié)果見表2。

由表2 可知X 軸定位精度為6.4 μm，重復定位精度為3.8 μm，反向誤差為1 μm，根據(jù)該機床技術協(xié)議中的精度檢測值允差：定位精度8 μm，重復定位精度6 μm，判定該軸精度符合驗收標準。

表2 補償后X 軸精度檢測結(jié)果 mm

2.3.2 對Y 軸進行精度檢測并對檢測結(jié)果進行分析

采取VDI 3441 分析未進行精度補償前的Y 軸定位精度檢測結(jié)果（表3）。

表3 補償前Y 軸定位精度檢測結(jié)果 mm

利用數(shù)據(jù)分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行分析，繪制誤差補償表，使用絕對值補償?shù)姆椒?，在機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補償值，數(shù)據(jù)生效后重新運行檢測程序，檢測Y 軸的定位精度及重復定位精度。采取VDI 3441 標準分析補償后的Y 軸精度檢測結(jié)果見表4。

表4 補償后Y 軸精度檢測結(jié)果 mm

由表4 可知Y 軸定位精度為7.9 μm，重復定位精度為4.8 μm，反向誤差為2.3 μm，根據(jù)該機床技術協(xié)議中的精度檢測值允差：定位精度8 μm，重復定位精度6 μm，判定該軸精度符合驗收標準。

2.3.3 對Z 軸進行精度檢測并對檢測結(jié)果進行分析

采取VDI 3441 分析未進行精度補償前的Z 軸定位精度檢測結(jié)果（表5）。

表5 補償前Z 軸定位精度檢測結(jié)果 mm

利用數(shù)據(jù)分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行分析，繪制誤差補償表，使用絕對值補償?shù)姆椒?，在機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補償值，數(shù)據(jù)生效后重新運行檢測程序，檢測Z 軸的定位精度及重復定位精度。采取VDI 3441 標準分析補償后的Z 軸精度檢測結(jié)果見表6。

表6 補償后Z 軸精度檢測結(jié)果 mm

由表6 可知Z 軸定位精度為4 μm，重復定位精度為2.5 μm，反向誤差為0.8 μm，根據(jù)該機床技術協(xié)議中的精度檢測值允差：定位精度8 μm，重復定位精度6 μm，判定該軸精度符合驗收標準。

2.4 回轉(zhuǎn)軸精度檢測原理

XR20-W 無線型回轉(zhuǎn)軸校準裝置安裝在被測軸上，通過激光裝置配合使用對回轉(zhuǎn)軸進行校準，首先將激光系統(tǒng)安裝在三腳架上，安裝好的激光系統(tǒng)與角度干涉鏡和一個集成在XR20-W 頂部的角度反射鏡保持準直。角度干涉鏡通過安裝組件和磁力座安裝在適當位置，如機床的主軸或機床的工作臺上。激光干涉儀發(fā)出的光束通過角度干涉鏡變成兩束光，兩束光經(jīng)過XR20-W頂部的反射鏡反射后再次通過角度干涉鏡合并為一束光，探測器通過返回的光束測量角度位置。軟件將該值與XR20-W 上的角度讀數(shù)結(jié)合，從而給出被測工作臺的準確位置。通過使軸旋轉(zhuǎn)一系列的角度目標對回轉(zhuǎn)軸進行校準，當軸旋轉(zhuǎn)時，軟件控制XR20-W 反向旋轉(zhuǎn)使激光光束返回激光頭，以確保光強。通過CNC 控制的軸運行零件程序，該程序使軸在一些目標位置停留足夠長的時間，便于檢測軸的準確位置，通過與程序中的位置對比，計算出角度誤差。

在所需目標位置采集數(shù)據(jù)后，軟件可在數(shù)據(jù)文件中儲存測量的角度誤差?？梢杂涗涊S的角度誤差，經(jīng)過反復測試后，可觀察測量過程中的誤差變化。

2.5 對回轉(zhuǎn)軸（C 軸）進行精度檢測并對檢測結(jié)果進行分析

選取一臺龍門銑床作為案例，對該機床的回轉(zhuǎn)軸（C 軸）進行定位及重復定位精度檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對該軸進行補償（圖5）。

圖5 對C 軸進行精度檢測

采取VDI 3441 分析未進行精度補償前的C 軸定位精度檢測結(jié)果（表7）。

表7 補償前C 軸定位精度檢測結(jié)果 ″

利用數(shù)據(jù)分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行分析，繪制誤差補償表，使用絕對值補償?shù)姆椒?，在機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補償值，數(shù)據(jù)生效后重新運行檢測程序，檢測C 軸的定位精度及重復定位精度。采取VDI 3441 標準分析補償后的C 軸精度檢測結(jié)果見表8。

由表8 可知補償后的C 軸定位精度為6.77″，重復定位精度為3.68″，反向誤差為3.43″，根據(jù)該機床技術協(xié)議中的精度檢測值允差：定位精度8″，重復定位精度6″，判定該軸精度符合驗收標準。

表8 補償后C 軸精度檢測結(jié)果 ″

3 激光干涉儀在機床精度檢測過程中存在的誤差

在日常使用激光干涉儀進行精度檢測過程中，發(fā)現(xiàn)以下情況會導致精度檢測值存在較大誤差：

（1）激光干涉儀未按期計量引起的測量誤差。實際使用過程中，必須按照要求定期送往具有相應資質(zhì)的機構進行計量，保證干涉儀本身的精度。

（2）激光干涉儀未按照要求進行保養(yǎng)，造成干涉儀測量穩(wěn)定性差。在日常使用過程中，必須按照說明書保養(yǎng)規(guī)程定期進行保養(yǎng)，尤其是傳感器接頭、干涉鏡組等易損部件。

（3）數(shù)控機床精度檢測時因環(huán)境溫度引起的機床表面溫度變化帶來的測量誤差。在檢測前確保設備處于環(huán)境溫度變化不大的環(huán)境中，避免因陽光直射、空調(diào)冷暖風等因素帶來的環(huán)境溫度變化。在設備使用前應檢查精度檢測系統(tǒng)中環(huán)境傳感器及環(huán)境誤差補償功能是否正常開啟，確保對環(huán)境誤差的有效控制。

（4）數(shù)控機床精度檢測時因機床運行程序編制有誤導致測量誤差。應在檢測開始前對機床運行程序進行調(diào)試，檢查運行程序代碼中的關鍵參數(shù)如進給速度、越程量、目標位置、循環(huán)次數(shù)、目標點停頓時間等的設置是否合理有效。在程序調(diào)試中應尤其注意機床運行程序中停頓位置的設置是否與精度檢驗系統(tǒng)中設置的停頓位置是否一致，避免因設置不當引起的檢測誤差。

4 結(jié)語

激光干涉儀具有檢測精度高、環(huán)境適應能力強等特點，利用其對數(shù)控機床進行精度檢測時，可以實現(xiàn)運行過程中對數(shù)控機床的直線軸、回轉(zhuǎn)軸定位精度的動態(tài)監(jiān)測。在對數(shù)控機床精度的實際檢測過程中，需要注意各種外界影響因素對檢測結(jié)果造成誤差，通過采取相對應的措施來降低測量誤差，提高精度檢測結(jié)果的準確性，進而提升數(shù)控加工機床的加工可靠性。