運用激光測量提高U5龍門加工中心精度

周文軍 何屹

摘要：用激光干涉法測量誤差的原理，通過的誤差補償對數控機床的定位誤差及反向間隙進行補償，實驗結果表明這種方法可以大幅度提高數控機床的精度。

關鍵詞：激光干涉；數控機床；定位誤差；誤差補償；加工精度異常

引言

隨著數控機床在機械制造中已得到廣泛的應用，機床加工精度的要求越來越高，精密加工技術的迅速發展和零件加工精度的不斷提高，對數控機床的精度提出了更高的要求。本文就是基于上述思想，通過常德煙草機械有限責任公司2010年1月引進的一臺美國辛辛那提U5龍門加工中心為例，在廠家調試人員多次調試未果的情況下，本人結合自身多年維修經驗，通過誤差補償系統對數控機床進行檢測和補償，顯著地提高數控機床的精度，使其工作于最佳精度狀態，從而確保數控機床的加工質量。

1.設備故障現象

美國辛辛那提U5龍門加工中心在廠家工作人員調試后，于8月正式交車投入使用。然而U5在使用過程中，經常出現加工精度超差的現象，尤其在加工主墻板的過程中更為嚴重?，F象表現為：主墻板X軸方向孔定位精度最高要求為0.0175mm，實際測量結果圓4、圓51等誤差都接近0.04mm，加工的8件主墻板中僅2件基本合格，致使U5龍門加工中心在交車后一直無法正常生產。美國辛辛那提U5龍門加工中心引進價格為228萬美元，折合人民幣228*7.5=1710萬元，按十年折舊計算，一年225個工作日，每日折舊7600元。由于U5無法進行正常的精度加工，設備根本不能正常生產，僅停工引起的折舊損失費每天就為7600元，還不包括設備功能正常發揮以及零件報廢的重大損失。這個問題一直是公司的一個心病。

2.故障分析

由于U5龍門加工中心在加工零件時出現精度超差的現象，這個問題一直困擾公司大型精密零件加工工作。本人對精密零件加工超差的原因進行認真分析，結合自身多年維修經驗，初步認為反向間隙、定位誤差、重復定位誤差、熱膨脹系數是影響U5龍門加工中心加工精度、產生加工誤差的主要因素，并確定為重點攻關目標，通過逐一進行排查，確定故障點。首要任務是對數控機床測量數據的誤差和測量過程的誤差進行分析并判斷其結果的準確性。

2.1測量數據的誤差分析

同一臺機床，由于采用的標準不同，所得到的反向間隙、定位精度也不相同。因此在對測量數據的進行誤差分析時，也要注意它所采用的標準。目前數控機床位置精度的誤差分析通常采用國際標準ISO230-2、國家標準B10931-89、德國標準VDI3441、日本JIS B6336等。根據我公司和機床生產商的技術協議，U5龍門加工中心采用VDI/DGQ3441標準。

2.2程的誤差分析

用激光干涉儀檢驗U5龍門加工中心精度的測量過程誤差主要來源：

1）傳感器造成的誤差，激光干涉儀的氣溫、相對濕度傳感器已盡量靠近激光束的測量路徑傳感器沒有接近馬達等局部性熱源或是冷氣流。故傳感器不是誤差的主要來源。

2）安裝造成的誤差，主要是由測量軸線與機床移動的軸線不平行而引起的誤差，如余弦誤差、阿貝測量誤差等，在安裝鏡組時，考慮了光束附近的空氣擾動。避免將鏡組或激光束放得太靠近任何局部性熱源。故安裝不是誤差的主要來源。

3）熱膨脹系數造成的誤差，此誤差大小取決于U5龍門加工中心光柵尺的熱膨脹系數。當測量時熱膨脹系數設置為1時，反向間隙、定位誤差、重復定位誤差都很小，但設備在加工零件時出現精度超差的現象。故熱膨脹系數可能是誤差的來源。

3.問題的解決

機床的定位精度是指所測量的機床運動部件在數控系統控制下運動所能達到的位置精度，是數控機床有別于普通機床的一項重要精度，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產生重要的影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。而U5龍門加工中心在加工過程中主要是孔距差，問題的解決應在盡量消除溫度誤差對測量結果的影響下，選擇正確熱膨脹系數，提高機床加工精度的內容包括誤差檢測、誤差分析和誤差補償。

4.熱膨脹系數選擇

對機床進行螺距補償時，我們采用雷尼紹公司的激光干涉儀作為直線長度標準，該激光干涉儀的熱膨脹系數初始值為1×10-6/℃，而U5龍門加工中心精度的測量過程中設置熱膨脹系數為11.71×10-6/℃。所謂熱膨脹系數是通常指線膨脹系數，表示溫度每變化1℃材料長度變化的百分率，則溫度變化時材料的伸長量 可表示為式（1）：

由式（2）式（3）可見，由于激光干涉儀的熱膨脹系數選擇不合理，造成主墻板加工過程的最大誤差約0.036mm，已超過墻板0.02mm的誤差要求。這也驗證了最初判斷。由上訴分析可知，激光干涉儀在校準機床時，其熱膨脹系數選擇對加工精度影響很大，根據主墻板的熱膨脹系數，將激光干涉儀的熱膨脹系數設置為和主墻板的一樣，這樣從理論上可以消除誤差。

5.定位精度的補償

所謂補償就是指通過特定方法對機床的控制參數進行調整，其參數調整方法也依各數控系統不同而各有差異。所以對數控機床的定位精度進行檢測和補償是保證加工質量的必要途徑。螺距誤差補償這項工作應該是在機床幾何精度調整完成后進行的，這樣可以盡量減少幾何精度對定位精度的影響。

6.應用效果

生產實踐證明，該改進是有效和成功的。自開始改進到目前為止，機床使用過程中從未出現任何問題，徹底解決了機床精密加工問題，這次改進為公司節約了大量的資金，大大的降低了機床的故障率，提高了機床精密加工的合格率，取得了巨大的社會效益和經濟效益，因此我們認為改進是非常成功的。

參考文獻：

[1]茅振華等.數控機床精度的激光干涉法測試與補償.機電工程，1999（4）：48～49

[2]劉紀茍等.機床定位誤差微處理機補償的研究.中國儀器儀表學會精密機械學會1985年學術討論會，1985（12） .