基于激光跟蹤儀的數(shù)控機(jī)床空間誤差測(cè)量及補(bǔ)償

吳玉亮，曹文智，肖飛，季柏樹

(通用技術(shù)集團(tuán)沈陽機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110142)

0 前言

目前針對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中的單項(xiàng)誤差測(cè)量和補(bǔ)償技術(shù)有很多[1-3]，例如利用激光干涉儀進(jìn)行機(jī)床單項(xiàng)幾何誤差的測(cè)量和定位誤差補(bǔ)償，利用球桿儀進(jìn)行機(jī)床聯(lián)動(dòng)精度的測(cè)量等。這些技術(shù)在機(jī)床單項(xiàng)誤差的辨別和矯正中起到了關(guān)鍵性的作用，也大大提高了機(jī)床的單項(xiàng)精度。這些技術(shù)已在國內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)、加工企業(yè)得到了廣泛的推廣和使用。但是針對(duì)機(jī)床空間誤差綜合性的測(cè)量手段和補(bǔ)償技術(shù)，如利用激光跟蹤儀進(jìn)行空間誤差測(cè)量與補(bǔ)償技術(shù)，雖然已經(jīng)較成熟并在國外機(jī)床廠家普遍應(yīng)用，但在國內(nèi)機(jī)床制造和生產(chǎn)中卻應(yīng)用較少[4 -7]。

基于此，本文作者闡述了激光跟蹤儀的空間誤差測(cè)試原理，給出了基于激光跟蹤儀的機(jī)床空間誤差測(cè)試步驟和方法。并在一臺(tái)橋式五軸加工中心上通過激光跟蹤儀測(cè)量機(jī)床空間誤差，辨別出機(jī)床的21項(xiàng)空間誤差，同時(shí)生成誤差補(bǔ)償文件，通過西門子VCS補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)床空間誤差的補(bǔ)償，最后對(duì)比了補(bǔ)償前后21項(xiàng)誤差差異，并通過體對(duì)角線定位測(cè)量進(jìn)行了補(bǔ)償效果的驗(yàn)證。文中的實(shí)踐工作能給機(jī)床行業(yè)從業(yè)人員提供精度提升的路徑參考。

1 激光跟蹤儀測(cè)量原理

1.1 數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸21項(xiàng)誤差

機(jī)床平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)軸由于制造和裝配本身的結(jié)構(gòu)誤差存在，都會(huì)有6個(gè)自由度的微小誤差，3個(gè)平動(dòng)軸共18項(xiàng)誤差，而且每2個(gè)軸的軸間還有垂直度誤差的存在，所以機(jī)床3個(gè)平動(dòng)軸共21項(xiàng)誤差[8]。依據(jù)ISO230-1的定義，機(jī)床3個(gè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的21項(xiàng)誤差如表1所示。

表1 三軸機(jī)床21項(xiàng)幾何誤差

1.2 激光跟蹤儀測(cè)量原理

文中采用的測(cè)試設(shè)備是Etalon公司生產(chǎn)的 LaserTRACER型號(hào)的激光跟蹤儀，如圖1所示。它通過專用的TRAC-CAL軟件能夠進(jìn)行機(jī)床空間誤差的測(cè)量。其測(cè)量原理為：在機(jī)床運(yùn)行空間內(nèi)，采用GPS的多點(diǎn)定位測(cè)量原理，并結(jié)合干涉儀通過長度測(cè)量，獲得機(jī)床運(yùn)行點(diǎn)位的大量測(cè)試數(shù)據(jù)，最后利用測(cè)量軟件集成的誤差分離算法計(jì)算機(jī)床空間誤差。

圖1 LaserTRACER型號(hào)的激光跟蹤儀

以機(jī)床3個(gè)平動(dòng)軸運(yùn)行空間為例，當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，把3個(gè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)行程所構(gòu)成的空間規(guī)劃成以一定步距間隔的多個(gè)小柵格空間點(diǎn)，激光跟蹤儀放在機(jī)床測(cè)量空間的一個(gè)角點(diǎn)上，其內(nèi)部的跟蹤機(jī)構(gòu)可以使跟蹤儀內(nèi)置的激光干涉儀自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤安裝在機(jī)床主軸刀具的反射鏡。當(dāng)機(jī)床以一定步距斷續(xù)地逐點(diǎn)沿規(guī)劃步距柵格移動(dòng)時(shí)，干涉儀將自動(dòng)采集每一固定點(diǎn)反射鏡到激光跟蹤儀的長度值。先自動(dòng)計(jì)算出跟蹤儀的實(shí)際位置，再通過將跟蹤儀放置在測(cè)量空間的不同角點(diǎn)上(最少4個(gè)，可以通過調(diào)節(jié)高度改變位置)分別跟蹤安裝在主軸上的反射鏡，進(jìn)行多次規(guī)劃空間內(nèi)每個(gè)柵格固定點(diǎn)的長度測(cè)量，并利用GPS三點(diǎn)定位原理能夠準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)床各柵格點(diǎn)的實(shí)際位置，最終通過測(cè)量軟件中集成的空間誤差分離算法模型對(duì)不同跟蹤儀位置及固定點(diǎn)長度的大量測(cè)試數(shù)據(jù)及理論數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算出機(jī)床 3 個(gè)平動(dòng)軸的包括定位、直線度、角度及垂直度等21項(xiàng)誤差。測(cè)量原理如圖2所示。

2 數(shù)控機(jī)床空間誤差測(cè)量與辨別

基于激光跟蹤儀配合TRAC-CAL專用空間誤差測(cè)量軟件，本文作者對(duì)一臺(tái)橋式五軸加工中心的平動(dòng)軸空間誤差進(jìn)行了綜合測(cè)量和誤差辨別。激光跟蹤儀測(cè)量行程不大于20 m，精度較高，位移測(cè)量精度可達(dá)到(0.2±0.3) μm /m。

機(jī)床x軸為橋梁結(jié)構(gòu)，行程為-6 000～0 mm；y軸為橫梁結(jié)構(gòu)，行程為-4 350～0 mm；z軸為滑枕結(jié)構(gòu)，行程為-1 350～0 mm。圖3為測(cè)試現(xiàn)場。

圖3 測(cè)試現(xiàn)場

2.1 空間誤差測(cè)量步驟

通過TRAC-CAL測(cè)量軟件，能夠?qū)す飧檭x空間誤差測(cè)量軌跡進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)可以將規(guī)劃軌跡生成西門子數(shù)控系統(tǒng)可識(shí)別的測(cè)量運(yùn)行NC程序，并通過測(cè)量數(shù)據(jù)采集和評(píng)估，分離出機(jī)床21項(xiàng)幾何誤差，同時(shí)能夠生成綜合誤差的補(bǔ)償文件。空間誤差測(cè)量通常應(yīng)遵循以下步驟：

(1)對(duì)機(jī)床平動(dòng)軸坐標(biāo)進(jìn)行配置。依據(jù)機(jī)床本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在測(cè)試軟件中，選擇合適的機(jī)床類型，從工件側(cè)至刀尖側(cè)方向選擇機(jī)床平動(dòng)軸坐標(biāo)順序等；

(2)對(duì)機(jī)床測(cè)量空間進(jìn)行定義，包括坐標(biāo)軸行程的最大、最小值，規(guī)劃軌跡起、終位置，規(guī)劃范圍內(nèi)各軸每步的步長(規(guī)劃的網(wǎng)格距離)，單軸補(bǔ)償間隔等；

(3)對(duì)使用的激光跟蹤儀、反射鏡型號(hào)和序列號(hào)進(jìn)行選擇和填寫，進(jìn)行機(jī)床材料溫度系數(shù)的填寫(這樣可以將測(cè)量誤差在20 ℃下折算，提供測(cè)量基準(zhǔn)，減小長時(shí)間測(cè)量溫度變化帶來的誤差)；

(4)進(jìn)行激光跟蹤儀本身不確定性參數(shù)的選擇和設(shè)置，保證測(cè)量有較高精度；

(5)根據(jù)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償需求，選擇機(jī)床動(dòng)態(tài)模型，通常選擇全剛體模型(辨別21項(xiàng)誤差)或簡化剛體模型(辨別17項(xiàng)誤差)；

(6)在機(jī)床坐標(biāo)系下，進(jìn)行激光跟蹤儀/反射鏡位置的設(shè)定(全剛模型一般6個(gè)位置，不位于同一平面)，對(duì)每一位置進(jìn)行測(cè)量軌跡的規(guī)劃，并計(jì)算21項(xiàng)幾何誤差的不確定性，不確定度通常要小于2 μm，完成測(cè)量規(guī)劃；

(7)利用蒙特卡羅法進(jìn)行測(cè)量軌跡規(guī)劃仿真，優(yōu)化測(cè)量軌跡，對(duì)測(cè)量的整個(gè)規(guī)劃進(jìn)行模擬和評(píng)價(jià)及誤差不確定度的確定；

(8)根據(jù)測(cè)量的規(guī)劃生成西門子840D系統(tǒng)機(jī)床運(yùn)行的 CNC 程序；

(9)連接激光跟蹤儀，數(shù)控機(jī)床執(zhí)行規(guī)劃的CNC 程序，進(jìn)行規(guī)劃軌跡的實(shí)際位置測(cè)量，得到誤差測(cè)量數(shù)據(jù)；

(10)通過軟件集成的誤差分析算法評(píng)估測(cè)量數(shù)據(jù)，并得到空間誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)，生成 VCS 空間誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)文件，如 VCS6_1.spf。

2.2 空間誤差測(cè)量結(jié)果

依據(jù)上述空間誤差測(cè)量的步驟要求，橋式五軸加工中心的3個(gè)平動(dòng)軸空間誤差測(cè)量軌跡規(guī)劃相應(yīng)確定參數(shù)有：

(1)平動(dòng)軸坐標(biāo)順序?yàn)閤、y、z；

(2)測(cè)量及規(guī)劃范圍：x(-6 000～0 mm)、y(-4 350～0 mm)、z(-1 350～0 mm)，測(cè)量步距200 mm，補(bǔ)償間隔10 mm；

(3)選擇全剛體模型，通過激光跟蹤儀和反射鏡6個(gè)不同位置的組合，完成綜合誤差軌跡規(guī)劃。圖4所示是6個(gè)位置的規(guī)劃軌跡。

通過執(zhí)行規(guī)劃軌跡的NC程序，激光跟蹤儀測(cè)量辨別的機(jī)床21項(xiàng)誤差如表2所示，同時(shí)能獲得21項(xiàng)誤差的變化趨勢(shì)，如x軸定位誤差變化趨勢(shì)如圖5所示。

表2 測(cè)量的機(jī)床21項(xiàng)誤差

3 西門子VCS空間誤差補(bǔ)償

VCS是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床空間誤差補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)功能模塊，它可以通過讀取拷貝到數(shù)控系統(tǒng)制造商循環(huán)文件夾下的補(bǔ)償文件，根據(jù)補(bǔ)償文件中坐標(biāo)軸和誤差值的關(guān)系，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的坐標(biāo)軸作補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行刀尖點(diǎn)和工件作用點(diǎn)相互位置及矢量誤差綜合矯正和補(bǔ)償。

應(yīng)用西門子VCS功能首先要獲得功能授權(quán)，再進(jìn)行相應(yīng)的配置。例如，裝載與 NCU 軟件版本對(duì)應(yīng)的該選項(xiàng)的 VCS 編譯循環(huán)；拷貝 SGUD 文件并激活；設(shè)置通用機(jī)床數(shù)據(jù) MD19610、MD19300、MD32750、MD28090、MD28100、MD28105、MD28254、MD28255、MD60981、MD62640、MD62641等。

本文作者利用VCS功能已經(jīng)配置完成的數(shù)控系統(tǒng)開展機(jī)床空間誤差補(bǔ)償[9]，將TRAC-CAL測(cè)量軟件完成誤差變化趨勢(shì)及誤差值的辨別和確定后生成的西門子VCS補(bǔ)償文件“VCS6_1.spf”拷貝到“系統(tǒng)數(shù)據(jù)/NC數(shù)據(jù)/制造商循環(huán)”目錄下，VCS補(bǔ)償文件的命名必須遵循當(dāng)前配置設(shè)定的編號(hào)要求。VCS6_1.spf文件如圖6所示。

圖6 VCS6_1.spf文件截圖

通過將“VCS_FILE_TABLE_ENTRY_APPLY”參數(shù)置1，開啟VCS補(bǔ)償功能。補(bǔ)償生效后可以在“VCS_COMP_VAL_GEO”參數(shù)下，查看當(dāng)前補(bǔ)償值。

4 空間誤差的補(bǔ)償驗(yàn)證

4.1 補(bǔ)償前后21項(xiàng)誤差對(duì)比

根據(jù)上述空間誤差測(cè)量和VCS補(bǔ)償方法，在完成機(jī)床空間誤差測(cè)量和西門子VCS補(bǔ)償功能生效的前提下，利用TRAC-CAL軟件測(cè)量補(bǔ)償后的機(jī)床21項(xiàng)空間誤差，并與補(bǔ)償前的各項(xiàng)誤差進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7—10所示。

圖7 補(bǔ)償前后定位誤差

圖9 補(bǔ)償前后角度誤差

圖10 補(bǔ)償前后垂直度誤差

從結(jié)果對(duì)比來看：有16項(xiàng)誤差經(jīng)過補(bǔ)償?shù)玫礁纳?，其中軸間的垂直度誤差，x軸、y軸角度誤差，x軸、y軸直線度誤差減小較為明顯。例如，xy的軸間垂直度δCOy從-33.1″減小到2″，x軸角度誤差從12.8″減小到2.4″等。通過補(bǔ)償大大提高了機(jī)床的部分幾何精度。

同時(shí)，還能看到有5項(xiàng)誤差較補(bǔ)償前精度變差，其中x軸、y軸的定位誤差exx、eyy增大較多。針對(duì)定位誤差補(bǔ)償后增大問題，作者認(rèn)為有兩個(gè)原因：(1)根據(jù)測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度傳感器的指示，兩次測(cè)量的環(huán)境溫度大約存在1.2 ℃的溫差，定位誤差又極易受到溫升變化的影響，使得測(cè)量得到的定位誤差包含了進(jìn)給軸熱變形誤差；(2)激光跟蹤儀空間誤差測(cè)量主要是進(jìn)行空間固定柵格點(diǎn)的綜合誤差測(cè)量，然后利用數(shù)學(xué)算法模型進(jìn)行大量的測(cè)量數(shù)據(jù)各項(xiàng)誤差的分離，數(shù)學(xué)模型難免存在分離精度問題，給某些幾何誤差分離帶來一定額外偏差。

4.2 空間體對(duì)角線定位測(cè)量結(jié)果對(duì)比

空間體對(duì)角線定位測(cè)量已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)床空間精度快速測(cè)量和評(píng)定，目前遵循的標(biāo)準(zhǔn)有ISO230-6國際標(biāo)準(zhǔn)及GB17421.6國家標(biāo)準(zhǔn)等[10-11]。它可以快速地進(jìn)行機(jī)床空間精度的估算，降低空間性能測(cè)量的成本與時(shí)間。

通過激光跟蹤儀及TRAC-CHECK軟件可進(jìn)行空間對(duì)角線的測(cè)量。TRAC-CHECK軟件是針對(duì)ISO23-6國際標(biāo)準(zhǔn)要求開發(fā)的專用于機(jī)床的進(jìn)給軸定位、面對(duì)角線、體對(duì)角線測(cè)量的專用軟件。通過它可以直觀測(cè)量機(jī)床空間對(duì)角線的系統(tǒng)偏差和反向差值，進(jìn)行機(jī)床空間精度的評(píng)定。應(yīng)用TRAC-CHECK測(cè)量軟件補(bǔ)償前后體對(duì)角線定位誤差如圖11所示。

圖11 補(bǔ)償前后體對(duì)角線定位誤差

可知：補(bǔ)償前體對(duì)角線定位的系統(tǒng)偏差為561.58 μm，補(bǔ)償后為63.45 μm，誤差縮小為原來的11.2%。通過空間誤差補(bǔ)償機(jī)床體對(duì)角線精度大幅提升。

結(jié)合補(bǔ)償前后21項(xiàng)誤差對(duì)比結(jié)果及空間體對(duì)角線定位測(cè)量對(duì)比結(jié)果可知：經(jīng)過補(bǔ)償，21項(xiàng)誤差中單項(xiàng)誤差有升有降，很難分辨出補(bǔ)償?shù)男Ч?；通過體對(duì)角線定位測(cè)量可以明顯看出補(bǔ)償后機(jī)床的空間精度有大幅度的提升。這說明機(jī)床空間的21項(xiàng)誤差在機(jī)床運(yùn)動(dòng)中是相互作用的，綜合運(yùn)動(dòng)中存在一定的矢量加減關(guān)系。同時(shí)激光跟蹤儀配合VCS功能測(cè)量和補(bǔ)償了刀尖點(diǎn)和工件作用點(diǎn)的綜合誤差，有助于機(jī)床空間綜合運(yùn)動(dòng)精度的提升。

5 結(jié)語

本文作者首先給出了機(jī)床平動(dòng)軸的21項(xiàng)空間誤差的表示，其次闡述了激光跟蹤儀測(cè)量空間誤差的原理，根據(jù)TRAC-CAL軟件空間誤差測(cè)量的步驟完成了機(jī)床空間誤差測(cè)量的軌跡規(guī)劃、誤差測(cè)量和分離及生成VCS補(bǔ)償文件，并通過西門子VCS功能實(shí)現(xiàn)機(jī)床空間誤差的補(bǔ)償，最后，通過補(bǔ)償前后誤差的對(duì)比及補(bǔ)償前后體對(duì)角線定位測(cè)量結(jié)果的對(duì)比進(jìn)行了補(bǔ)償效果的驗(yàn)證。具體結(jié)論有：

(1)采用激光跟蹤儀，進(jìn)行機(jī)床平動(dòng)軸空間誤差的補(bǔ)償能夠提高機(jī)床刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的綜合空間精度，數(shù)控機(jī)床可以采用此方案進(jìn)行精度提升。經(jīng)過補(bǔ)償，體對(duì)角線定位的系統(tǒng)偏差從561.58 μm降到63.45 μm，誤差縮小為原來的11.2%。

(2)基于激光跟蹤儀的空間誤差的測(cè)量和補(bǔ)償對(duì)某些單項(xiàng)精度的提升作用不是很明顯，如定位誤差可以采用激光干涉儀等專用設(shè)備進(jìn)行矯正。

(3)采用空間體對(duì)角線的空間精度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行空間精度估算，更加便捷和直觀，對(duì)于機(jī)床空間精度校驗(yàn)具有普適性。