某臥式數(shù)控車床圓軌跡精度測(cè)試與分析
2020-5-25 來(lái)源： 沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 作者：譚智 馬曉波，曹鐸
摘要 ：本文首先分析了球桿儀測(cè)試的基本原理，后以臥式數(shù)控車床為例，梳理了數(shù)控車床圓軌跡精度測(cè)試流程，并測(cè)量了該臥式數(shù)控車床的圓軌跡精度，并對(duì)各誤差項(xiàng)在圓度誤差中的占比進(jìn)行了分析。通過整個(gè)測(cè)試及優(yōu)化流程，證明了該測(cè)試流程、誤差識(shí)別方法省時(shí)高效。
關(guān)鍵詞 ：球桿儀 ；測(cè)試流程 ；圓軌跡測(cè)試
目前隨著數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)的突飛猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)的需求量及技術(shù)要求也隨之越來(lái)越高 ；如何能在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，最大限度地降低制造成本、縮短交貨周期、并且保證機(jī)床的精度，因此急需先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備及精度優(yōu)化的流程手段[1]。在影響機(jī)床加工精度的因素中，起支配作用的是運(yùn)動(dòng)精度。了解掌握機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)于精密加工而言不可或缺。如果構(gòu)成機(jī)床設(shè)備的各零部件的尺寸、形狀精度低，則機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度差。另外，安裝與調(diào)整控制系統(tǒng)等對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度也有影響[2]。本文將以球桿儀這一高效、便捷的測(cè)量?jī)x器來(lái)對(duì)某臥式數(shù)控車床進(jìn)行圓軌跡精度測(cè)試與分析。
1、球桿儀誤差測(cè)量原理
1.1 球桿儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
圖 1 球桿儀構(gòu)造圖
1. 傳感器球 2.LED 狀態(tài)指示燈 3. 無(wú)線電通信模塊 4. 中心球（固定）5. 開
關(guān)和電池蓋 6. 球桿儀傳感器 7. 序列號(hào)（底部）8. 蓋環(huán)
英國(guó) Renishaw 公司生產(chǎn)的 QC20 球桿儀是一種快速檢測(cè)機(jī)床性能的精密儀器，具體的構(gòu)造如圖 1 所示，球桿儀的傳感器是球桿儀系統(tǒng)的主要部件，是一個(gè)精密的線性傳感器，能夠精確測(cè)出在球桿標(biāo)稱 (100 mm) 長(zhǎng)度 ±1 mm 行程內(nèi)的伸縮量。此傳感器可提供電子信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)處理后與計(jì)算機(jī)無(wú)線通訊。這允許 Ballbar 20 軟件對(duì)傳感器名義長(zhǎng)度上的微小變化進(jìn)行測(cè)量和分析。
1.2 球桿儀的測(cè)試原理
用球桿儀進(jìn)行誤差測(cè)量，設(shè)坐標(biāo)系的原點(diǎn) O(0,0) 為車床主軸軸桿上球座的中心，P(x,z) 為刀架臂球心的名義坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置 P(x,z) 時(shí)，設(shè)機(jī)床的實(shí)際位置為P'(x',z')。則機(jī)床的空間誤差可用這兩個(gè)坐標(biāo)表示如下 ：
式（4）表示點(diǎn) P 處的定位和球桿儀半徑誤差的關(guān)系。該式是球桿儀測(cè)量裝置的基本方程式，反映了測(cè)量結(jié)果與誤差矢量之間的關(guān)系。測(cè)量所有的 ?R，做出圓度誤差曲線，可以綜合反映出機(jī)床部件相互幾何關(guān)系等因素。
2 、測(cè)試內(nèi)容及過程
針對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行球桿儀圓弧插補(bǔ)測(cè)試的總體測(cè)試流程如圖 2。
①先預(yù)熱機(jī)床 ：使機(jī)床以測(cè)試速度運(yùn)行半個(gè)小時(shí)，讓機(jī)床進(jìn)行充分的潤(rùn)滑與熱機(jī) ；②再確定測(cè)試半徑 ：按照測(cè)試需求及機(jī)床行程選擇測(cè)量半徑 ；③對(duì)程序進(jìn)行預(yù)運(yùn)行 ：按照選定的半徑、速度進(jìn)行程序預(yù)運(yùn)行，確保測(cè)試程序沒有問題 ；④確保球桿儀連接 ：連接球桿儀，包括電源、傳感器、球座，將球桿儀鏈接到機(jī)床，準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ；⑤執(zhí)行測(cè)試 ：在測(cè)試程序通過預(yù)運(yùn)行后，開始執(zhí)行測(cè)試 ；⑥數(shù)據(jù)診斷 ：對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行診斷，明確各軸的位置誤差，角度誤差，直線度，垂直度，以及比例誤差，周期誤差等誤差項(xiàng)的排序。⑦參數(shù)優(yōu)化 ：在數(shù)據(jù)診斷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化 ；⑧結(jié)果驗(yàn)證 ：在優(yōu)化后對(duì)再次執(zhí)行測(cè)試，如測(cè)試結(jié)果不理想，再次執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化步驟以獲得更好的優(yōu)化效果。
圖 2 測(cè)試流程圖
分 別 以 500mm/min、1500mm/min、3000mm/min
進(jìn)給速度，100mm 為半徑在 XZ 面內(nèi)進(jìn)行圓軌跡測(cè)試，獲得
圓度軌跡誤差值。
3、測(cè)試結(jié)論
以下為 3000mm/min 進(jìn)給速度的測(cè)試結(jié)果，經(jīng)測(cè)試圓度為 9.5um。
表 1 誤差及診斷表格單位 ：um
圖 3 測(cè)試結(jié)果
該臺(tái)臥式車床經(jīng)測(cè)試，Z 方向的周期誤差、X 方向的反向躍沖、Z 方向的反向間隙是誤差占比最高的三項(xiàng)。利用球桿儀對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)是一種效率高操作簡(jiǎn)單而且測(cè)量結(jié)果具有較高可信度的實(shí)用方法，同時(shí)還可以通過故障診斷數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，找出故障問題，可以顯著提高數(shù)控機(jī)床的圓弧插補(bǔ)精度。
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