數(shù)控機床位置精度試驗平臺的研究與設計

摘要：文中主要介紹了數(shù)控機床位置精度試驗平臺的研究設計路線，通過對機床工作原理、五軸機床典型結構、數(shù)控機床的工作環(huán)境要求等分析，設計了平臺機械結構主體，建立了試驗環(huán)境系統(tǒng)和位置精度激光測量系統(tǒng)，并將其進行有效融合，形成一機多系統(tǒng)多轉臺的試驗驗證平臺方案。此方案可實現(xiàn)不同數(shù)控系統(tǒng)對同一線性軸位置精度的驗證分析、回轉軸位置精度的直接工裝法與間接工裝法的驗證分析等，在一定程度上提高了數(shù)控機床位置精度測量和數(shù)控系統(tǒng)誤差補償調試技術的系統(tǒng)化、專業(yè)化水平。

關鍵詞：數(shù)控機床；位置精度；試驗平臺；試驗環(huán)境系統(tǒng)；測量系統(tǒng)

Research and Design of CNC Machine Tool Position Accuracy Test Platform

LU Yejian， CHEN Yongxuan

（ Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian， China ）

Abstract： This paper mainly introduces the research and design approach for a CNC machine tool position accuracy test platform. Through the analysis of the working principle of the machine tool， the typical structure of the five-axis machine tool and the working environment requirements of the CNC machine tool， the main mechanical structure of the platform is designed. Additionally， the test environment system and the position accuracy laser measurement system are established， ensuring effective integration between them. A test and verification platform scheme of one machine， multiple systems and multiple turntables is formed. This scheme can realize the verification and analysis of the position accuracy of the same linear axis in different CNC systems， the verification and analysis of the position accuracy of the rotating axis by direct tooling and indirect tooling， etc.， and improve the systematization and specialization of the position accuracy measurement of CNC machine tools and the error compensation and debugging technology of CNC systems to a certain extent.

Key Words： CNC machine tool; Position accuracy; Test platform; Test environment system; Measuring system

0引言

高端數(shù)控機床是現(xiàn)代高端制造業(yè)的工業(yè)母機。位置精度作為體現(xiàn)高端數(shù)控機床技術水平的一項重要技術指標，需要通過準確測量評估、驗證分析、結合誤差補償調試技術改善和提高位置精度，使數(shù)控機床的結構設計和主要部件選型得到優(yōu)化。由于高端數(shù)控機床屬于數(shù)控系統(tǒng)與結構創(chuàng)新的組合產品，如何評價不同數(shù)控系統(tǒng)與結構設計對位置精度的影響，一直以來行業(yè)中沒有建立有效的試驗平臺進行實際技術驗證和分析，導致數(shù)控機床行業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)選型、配置及轉臺結構設計存在許多不合理和盲從現(xiàn)象。

1 試驗平臺的研究設計路線

試驗平臺是一個完整的測量評估、驗證系統(tǒng)，其可分為三個部分：平臺機械結構、試驗環(huán)境系統(tǒng)、測量系統(tǒng)。試驗平臺主要通過分析機床工作原理、數(shù)控機床的工作環(huán)境、機床結構形式和數(shù)控系統(tǒng)多樣性等對三個組成部分進行設計研究。平臺機械結構主要以典型五軸數(shù)控機床為基礎進行包容性設計，可將不同數(shù)控系統(tǒng)應用與同一線性軸的位置精度試驗驗證，以及進行典型數(shù)控轉臺不同測量方法的驗證；依據(jù)GB/T 17421.2-2023標準建立恒溫試驗環(huán)境系統(tǒng)；分析機床的典型機構配置和建立完善的位置精度測量系統(tǒng)。將三個部分有效地充分應用，進而形成滿足不同數(shù)控系統(tǒng)、不同轉臺結構及安裝形式、不同測量方法（直接工裝和間接工裝）的試驗驗證系統(tǒng)。

2 平臺機械結構的建立

2.1機床工作原理及五軸機床典型結構分析

數(shù)控機床的主要組成部分包含控制器、驅動、電機、機床結構（床身、絲桿等）。了解數(shù)控機床位置精度的自身影響因素，要從一臺數(shù)控機床的整個組成和工作原理進行分析，分析這些主要組成部分在整個控制工作過程中起到的作用，通過數(shù)控機床的控制工作原理，如圖1所示，可以得出影響數(shù)控機床位置精度的主要因素有驅動系統(tǒng)（控制器、驅動、電機）和機床的機械傳動部件（如絲桿等）。在國內數(shù)控機床制造行業(yè)中，生產企業(yè)主要偏向于機床結構的設計和創(chuàng)新，數(shù)控系統(tǒng)一般以用戶需求進行配置，所以，當一臺數(shù)控機床的機械主體部分制造完成后，屬于不可改變的因素。但數(shù)控系統(tǒng)的選型對一臺數(shù)控機床位置精度的影響很大。不同的數(shù)控系統(tǒng)在運動算法研究、算法設計、編程調試、自動補償?shù)确矫娲嬖诤艽蟮膮^(qū)別，直接影響位置精度的準確性和穩(wěn)定性。

五軸數(shù)控機床是在三軸機床基礎上增加了兩個旋轉軸而形成的，旋轉軸包括A軸、B軸、C軸，其旋轉軸與直線軸的表達關系，如圖2所示，實際五軸機床配置除了三個線性軸外，只選擇旋轉軸中的兩個軸。所以，實際五軸機床在結構及轉臺安裝組合上有各種形式，典型的有轉臺+主軸擺頭式（C軸+B軸）、五軸搖籃式（A軸+C軸）等，如圖3、圖4所示。另外根據(jù)機床的實際加工用途，只在三軸機床上增加第四軸（A或C軸）的四軸機床，典型結構如圖5所示。機床的結構組合變化多樣，特別是不同的轉臺結構和安裝形式，由于設計時沒有考慮轉臺安裝后的測量空間，所采用的測量方法就有可能不同，影響測量的可靠性。

2.2平臺機械結構的設計

根據(jù)機床控制工作原理、五軸機床典型結構的分析，關鍵問題在于通用數(shù)控機床的一個線性軸是對應一臺伺服電機（即一種數(shù)控系統(tǒng)），無法在同一線性軸上驗證不同數(shù)控系統(tǒng)對位置精度的影響。同時，為了驗證典型數(shù)控轉臺的不同測量方法和試驗數(shù)據(jù)，將平臺機械結構分為采取以立式加工中心的本體為基礎，包括床身、底座、立柱、絲桿、工作臺等，為了實現(xiàn)同一線性軸可以匹配不同數(shù)控系統(tǒng)的伺服電機，設計三軸伺服電機與絲桿的開放式接口，主要采用同步機構將不同伺服電機沿絲桿電機端四周均布集成，如圖6所示，便于不同伺服電機及數(shù)控系統(tǒng)間的快速切換，提高平臺的工作效率，可滿足不同數(shù)控系統(tǒng)下的數(shù)控機床線性軸線位置精度的測試、調試和驗證。同時，為了驗證典型數(shù)控轉臺（如圖6所示）的不同測量方法和試驗數(shù)據(jù)，對典型數(shù)控轉臺進行了便于測量與驗證的優(yōu)化設計，增加不同測量方法的測量接口便于回轉軸校準裝置基準分度臺的對接，并通過各轉臺在平臺中的安裝布局及位置變換來實現(xiàn)旋轉軸（A軸、B軸、C軸）的不同方法測量與驗證。

3試驗環(huán)境系統(tǒng)的建立

數(shù)控機床位置精度檢測要求在20℃的環(huán)境中進行測試，且在測試過程中要保持環(huán)境周圍無振動影響[1]。特別是溫度的變化對于高精密機床的線性軸位置精度是最為敏感的。依據(jù)GB/T 17421.2-2023標準，最理想的測試環(huán)境溫度為20℃，若不在20℃試驗環(huán)境溫度下測量，需要修正被測機床和檢測裝置間的名義差脹（NDE）來獲得修正到20℃的位置精度數(shù)值。在修正過程中，要測量被測機床和檢測設備具有代表性部位的溫度，并結合相關膨脹系數(shù)進行修正。從GB/T 17421.2-2023標準中可知溫度對測量誤差的影響程度，如表1所示，在膨脹系數(shù)一定的情況下，隨著溫度和測量長度的變化，被測機床和檢測設備因溫度誤差對線性軸位置精度的影響是顯著的。

溫度測量誤差在任何高精度恒溫實驗室條件下都會存在，但為了降低溫度測量誤差對整個試驗平臺的線性位置精度影響，也從恒溫實驗室建造成本角度出發(fā)，選擇（20±0.5）℃恒溫實驗室配合雷尼紹的XC環(huán)境補償單元（如圖7所示）進行誤差數(shù)值修正。從理論上分析，溫度變化對回轉軸位置精度無影響，但一個精密的轉臺是由很多部件構成，溫度的變化對轉臺回轉軸位置精度的實際影響，通過環(huán)境溫度調節(jié)、XC環(huán)境補償單元對溫度實時監(jiān)測和數(shù)控機床位置精度綜合分析軟件進行有效驗證。

圖7 XC環(huán)境補償單元

4測量系統(tǒng)的建立

數(shù)控機床位置精度可以分為線性軸位置精度與回轉軸位置精度，依據(jù)GB/T 17421.2-2023標準，一般采用激光干涉儀測量位置精度，而回轉軸位置精度還需配置基準旋轉（角度）編碼器的基準分度臺。

4.1 線性軸線位置精度測量系統(tǒng)的建立

設定激光測量系統(tǒng)[2]，如圖8所示；在線性測量過程中，一個光學組件保持靜止不動，另一個光學組件沿線性軸移動（通常，將反射鏡設定為移動光學部件，將干涉鏡設定為靜止部件）；調整激光光束，使之與機器運動軸準直；啟動自動環(huán)境補償功能，確保在軟件中輸入正確的材料膨脹系數(shù)。

圖8 線性軸位置精度激光測量系統(tǒng)

4.2回轉軸線位置精度測量系統(tǒng)的建立

回轉軸激光測量系統(tǒng)分為直接工裝激光測量系統(tǒng)和間接工裝激光測量系統(tǒng)[3-4]，布局如圖9、圖10所示。不同的測試方法所產生的測量系統(tǒng)誤差是不一樣的。

直接工裝法：即使用激光干涉儀、角度干涉鏡和角度反射鏡來測量XR20-W的角度位置；在計算機上運行的測量軟件應用程序，將XR20-W的角度位置與激光和角度光學鏡的讀數(shù)相結合，顯示被校準軸的真實位置。

間接工裝法：在光學鏡組準直時，務必確保被測軸與XR20-W的軸保持平行；最好使用數(shù)字指示器測量并最大限度地減少安裝面與線性軸的偏離，確保支架準直正確無誤；針對所需的旋轉與線性測試生成工件程序，以完成擺動軸轉臺測試程序；光學鏡組設定將取決于待測試的機床類型。

圖9 直接工裝激光測量系統(tǒng)

圖10 間接工裝激光測量系統(tǒng)

5試驗平臺的運行方案

在三個系統(tǒng)（平臺機械結構、試驗環(huán)境系統(tǒng)、測量系統(tǒng)）建立的基礎上，為實現(xiàn)不同數(shù)控系統(tǒng)對同一線性軸位置精度的驗證分析、回轉軸位置精度的直接工裝法與間接工裝法的驗證分析等，需要將三個系統(tǒng)進行有效地融合，試驗平臺方案設計總體采用了一機多系統(tǒng)多轉臺的試驗驗證平臺方案，結合五軸轉臺結構的多樣性和典型（市場占有率比較高）的四種數(shù)控系統(tǒng)，建立起多數(shù)控系統(tǒng)、多轉臺的位置精度測試與調試技術驗證平臺，其主要由平臺機械結構（機床主體）、激光測量系統(tǒng)、多數(shù)控系統(tǒng)和系統(tǒng)切換機構等組成。

試驗平臺的運行方案，如圖11所示。在試驗環(huán)境系統(tǒng)和測量系統(tǒng)基本確定的基礎上，只需要在平臺的機械結構部分進行進一步設計，將平臺機械結構分為四套子平臺系統(tǒng)：

1）三線性軸平臺系統(tǒng)：集成了四套不同的數(shù)控系統(tǒng)，滿足不同數(shù)控系統(tǒng)下的數(shù)控機床線性軸線位置精度的模擬測試、調試和驗證；

2）A/C五軸轉臺系統(tǒng)：五軸轉臺系統(tǒng)的設計圍繞A、B、C軸進行任意組合，并在轉臺系統(tǒng)內設計兩種數(shù)控系統(tǒng)進行快速切換，滿足不同數(shù)控系統(tǒng)的直接工裝測試、A/C和B/C兩種模式的間接工裝測試、調試與驗證；

3）臥式四軸轉臺系統(tǒng)：臥式四軸轉臺在數(shù)控機床上的應用非常廣，本系統(tǒng)采用直驅電機結構，并配套一種數(shù)控系統(tǒng)，結合激光系統(tǒng)采用直接工裝進行測試與調試；

4）主軸箱擺頭旋轉臺系統(tǒng)：主軸箱擺頭旋轉臺的應用在國內高端數(shù)控機床中也屬于關鍵技術，本系統(tǒng)采用了RV減速機配伺服電機的結構，并配置一套數(shù)控系統(tǒng)，結合其安裝形式特點（主要是懸空安裝形式）和使用特點，設計了直接工裝測量系統(tǒng)和間接工裝測量系統(tǒng)，達到充分發(fā)揮和利用激光測量系統(tǒng)的功能，使其更加接近機床的實際工作條件下的測試和調試。

圖11 試驗平臺的運行方案

6結論

對一臺高端數(shù)控機床而言，轉臺結構設計形式和置于機床主體內的安裝形式，以及數(shù)控系統(tǒng)的軟件和硬件配置等因素，都會影響機床位置精度的測量結果。通過這樣一個試驗驗證平臺，在試驗環(huán)境和測量系統(tǒng)都已明確穩(wěn)定的情況下，可以通過不同數(shù)控系統(tǒng)對同一線性軸的位置精度、不同測量方法下的轉臺位置精度進行驗證分析。通過此試驗平臺，對高端數(shù)控機床位置精度測量和數(shù)控系統(tǒng)誤差補償調試技術驗證等關鍵技術進行基礎研究和分析改進，滿足機床在制造過程中的設計和選型，促進機床的高精度控制和高質量加工技術研究的有效開展。面向數(shù)控機床行業(yè)，提高高端數(shù)控機床位置精度測量和數(shù)控系統(tǒng)誤差補償調試技術的系統(tǒng)化、專業(yè)化水平，為加快發(fā)展高端數(shù)控機床和推進關鍵五軸轉臺、數(shù)控系統(tǒng)國產化提供強有力的技術支撐，并可通過此試驗平臺，助力于專業(yè)人才的技術培養(yǎng)。

參考文獻

[1]全國金屬切削機床標準化技術委員會.機床檢驗通則

第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的

確定：GB/T 17421.2-2023［S］.北京：中國標準出

版社，2023.

[2]英國雷尼紹公司.激光器校準系統(tǒng)用戶指南［M/OL］.2007.

[3]英國雷尼紹公司. XR20-W無線型回轉軸校準裝置在線

使用指南［M/OL］.2020-02-28.

[4]英國雷尼紹公司.Renishaw擺動軸轉臺測量用戶

手冊［M/OL］.2020-02-28.