淺談球桿儀在數控機床中的應用

王俊雅，齊培紅

浙江凱達機床股份有限公司，浙江 諸暨 311800

數控機床綜合了自動化技術、伺服驅動、精密測量和精密機械等各個領域的技術成果，隨著數控技術和數控機床的發展，數控機床的精度是機床的性能的一項重要指標，成為影響工件加工的主要因素，為了提高數控機床的加工優勢，這就需要對誤差進行快速識別和精確的修正，提高數控機床的精度。目前國內對于數控機床的精度檢測的傳統方法很難分析數控機床誤差產生的來源，而且調試周期較長，嚴重影響了機床生產率和生產質量。球桿儀作為一種綜合誤差參數測量最有效的工具，很好的解決了這一問題。

1 球桿儀的工作原理

球桿儀主要由儀感器、磁性杯、磁性中心架、球節、磁性工具杯、球桿傳遞器等組成，由于固有的特點得到了廣大用戶的認可。球桿儀能夠快速、方便、經濟地評價和診斷數控機床的精度，適用于各種立臥式加工中心和數控車床等機床，具有操作簡單、攜帶方便的特點。其主要的工作原理是將球桿儀兩端的精密球體，一端通過磁體架固定在基礎的工作臺上，另一端則固定在機床的主軸上，然后測量兩軸插補運動形成的圓形軌跡，為了保證得出理想的圓形軌跡，可以自己編制程序使機床作半徑等于球桿長度的任一平面內的圓形運動，傳感器檢測出半徑方向的長度變化，也能夠檢測出機器偏離理想軌道的偏差，然后將得到的數據進行優化，以能夠幫助調試任一進行修正誤差，改善機床的性能。

2 球桿儀的應用

球桿儀可以快速的找出并分析機床的問題所在，可以檢測反向差、反向間隙、伺服增益、垂直度、直線度、周期誤差等性能，保證機床的正常運行，在數控機床中得到了廣泛的應用。

2.1 數控機床精度檢測驗收

對于機床制造商來說，利用球桿儀可以快速的進行機床出廠檢驗，并作為隨機機床精度驗收文件，目前球桿儀已被國際機床檢驗標準所采用，同時利用球桿儀可以方便地進行機床之間的性能比較，提示機床問題，建立機床性能檔案。

2.2 機床切削參數的快速優化

為了保證數控機床的加工精度，可以在不同給進率條件下進行球桿儀檢測機床，這樣可以優化切削參數，提高切削精度，從而改進了誤差，提高了產品合格率。

2.3 球桿儀的優點

球桿儀可以揭示機床精度變化趨勢，及時提醒維修人員進行檢查和維修，將影響機床加工的問題及時得到解決，提高數控機床的保養和維修水平；同時球桿儀軟件可以進行機床誤差的自動分析，提高檢查維修的速度，并集中精力去解決。

2.4 機床動態特性檢測和評估、分離故障源

球桿儀能夠迅速查找機床出現問題的地方，主要檢查反向躍沖、間隙、垂直度、直線度、周期誤差、伺服不匹配、傳動鏈磨損等。當機床出現問題時，球桿儀進行快速檢查，可以確定機床是否能繼續工作，并分析出現問題的地方，自動進行誤差控制，方便維修人員快速定位故障點，提高解決問題的速度。

2.5 縮短新機床開發研制周期

利用球桿儀檢測機床可以分析潤滑系統、機床軸承等的選用對機床精度性能的影響，這樣可以根據測試情況改變原配套件的選用和設計，從而縮短了新機床的研發周期。

3 誤差分析

3.1 比例不匹配

在測量中，如果顯示的圖形為橢圓或花生形，這是由于比例不匹配，測量軸間出現行程差所引起的，而測量軸出現行程差的主要原因為軸的滾珠杠可能出現故障或過熱，出現膨脹，導致絲杠螺距誤差增大；還有一種情況就是如果機床存在角度誤差，就會導致X軸和Y軸在移動時不能保持90°直角，導致傾斜出測試平面。

補償方法：在進行誤差檢查過程中，一般采用誤差建?！鷻z測→補償的方法來抵消存在的誤差，由于數控機床加工零件時主要由各數控伺服軸的運動合成刀刃加工軌跡，因此首先要檢查所有的線性誤差補償值是否準確；然后檢查軸上帶狀光柵是否正確拉緊，檢查滾珠絲杠是否工作正常，溫度是否正常，如果出現問題或溫度過高，要及時進行更換；做出檢查后就可以在不同區域的多個平面內重復進行角度誤差測試，通過檢查這些圖形是否出現變形，是否出現隨測試位置離機器工作臺面的距離增大而增加。

3.2 周期誤差

數控機床在加工過程中，會存在按照頻率、幅度發生周期性的正弦誤差，這是一種常見的、不可避免的誤差，分析其原因主要是由于軸滾珠絲杠使用時間過長，螺紋磨損，導致摩擦阻力增大，使得在運轉過程中無法保證勻速，從而出現正弦運動方式；在數控機床安裝時，安裝人員沒有將編碼器安裝到位，導致位置偏心；滾珠絲杠安裝不到位，也會出現周期誤差，導致偏心；如果細分裝置或感應傳感器未調整好，也會出現周期誤差；當立軸上下運動周期誤差只單方面的存在，機器的平衡機構會出現問題，導致圖形受到影響。

補償方法：首先要通過觀察，確定是什么地方出現了故障，如觀察圖形是逆時針還是順時針，這樣可以鑒別到底是滾珠絲杠出現了故障還是平衡出現了故障。對于滾珠絲杠出現的故障，就要調整滾珠絲杠或安裝編碼器來消除周期誤差；對于平衡機構出現的周期誤差，就要調節數控機床的平衡來消除周期誤差。

3.3 反向躍沖

當某一軸某一方向驅動，然后必須向相反的方向發生移動，在換向處機器不是平穩反向運動而可能短時的粘性停頓。這是因為該軸驅動施加的彎矩不夠，造成在轉換處由于摩擦力的方向發生變化而出現粘性停頓。

補償方法：當機器的控制系統具有除尖峰能力時，可以在開啟機器時利用該功能來限制反向躍沖的影響；在進行圓弧插補時，可以進行精加工，采用該找出的給進率。

4 結論

球桿儀能夠快速獲取數控機床的精度信息，準確檢測數控機床的誤差，并可查明機床誤差來源，為數控機床的故障診斷及維護提供了可靠保障，與傳統的工件試切檢驗方法相比具有不可比擬的優越性。在使用過程中，需要了解其工作原理，掌握球桿儀的使用方法，才能更好的予以運用，提高數控機床的工作性能，保證其加工精度。

[1]洪邁生.數控機床的運動精度診斷[J].機械工程學報，2002.

[2]劉煥牢.基于球桿儀數控機床誤差補償方法研究[J].機械工人，2007.