數(shù)控銑床定位精度檢測(cè)與分析

曾超， 王湘江， 馮棟彥

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421000）

0 引言

隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的追求越來(lái)越高，對(duì)數(shù)控銑床的加工精度形成了挑戰(zhàn)，而且加工精度是衡量數(shù)控銑床工作性能的重要指標(biāo)，并在現(xiàn)代企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮著核心作用[1-2]。在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控銑床因柔性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外也對(duì)數(shù)控銑床誤差的檢測(cè)與分析做了大量的實(shí)驗(yàn)與研究[3-7]。Zhang等[8]介紹了關(guān)于利用對(duì)角線測(cè)量銑床體積定位誤差并通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒āaolo Bosetti[9]總結(jié)了影響機(jī)、銑床定位誤差的幾種來(lái)源，包括幾何誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、熱變形引起的機(jī)器結(jié)構(gòu)變形以及機(jī)械負(fù)荷慣性引發(fā)的動(dòng)態(tài)誤差。馬軍旭等[10]總結(jié)了影響數(shù)控銑床加工精度的因素主要是滾珠絲桿、軸承、導(dǎo)軌等的制造和安裝誤差。李繼中等[11]分析了數(shù)控銑床的誤差來(lái)源，并提出了改善方案，但是，對(duì)于影響銑床定位精度的具體原因的分析還不夠完善。

文中利用激光干涉儀對(duì)MVC850B數(shù)控銑床定位誤差進(jìn)行測(cè)量，并采用Origin軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)定位誤差的規(guī)律，分別分析反向間隙誤差、螺距誤差和重復(fù)定位精度，得到其各自的主要影響因素，為減小定位誤差提供依據(jù)。

1 銑床定位誤差的來(lái)源

目前，國(guó)內(nèi)大部分?jǐn)?shù)控銑床還是采用開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)控制。在加工中，滾珠絲桿、導(dǎo)軌、軸承等機(jī)械傳動(dòng)部分產(chǎn)生的誤差不能反饋到伺服控制系統(tǒng)，從而影響加工精度。因此，解決好由于機(jī)械傳動(dòng)部分帶來(lái)的加工誤差問(wèn)題，是保證加工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。圖1所示為MVC850B數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MVC850B數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)

造成銑床反向間隙的原因主要有：絲桿螺母副間隙、軸承與軸承座之間的間隙等。而絲桿的制造精度會(huì)引起螺距不均勻，進(jìn)而在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中造成定位不準(zhǔn)確。由于導(dǎo)軌的直線度誤差，當(dāng)程序運(yùn)行到指定位置時(shí)，而工作臺(tái)發(fā)生偏轉(zhuǎn)也會(huì)造成定位不準(zhǔn)確。同時(shí)，機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)等也會(huì)對(duì)機(jī)床定位誤差造成影響。

2 銑床定位誤差的檢測(cè)

2.1 位移誤差測(cè)量的基本原理

測(cè)量數(shù)控銑床定位誤差的方法主要有一維球列法、雙球規(guī)法和光學(xué)檢測(cè)法。前兩者主要用于單項(xiàng)誤差的測(cè)量，精度較低且范圍有限；而光學(xué)檢測(cè)法精度高，操作方便，但儀器設(shè)備昂貴[12-15]。因此文中采用激光干涉儀對(duì)數(shù)控銑床的線性位移誤差進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量原理如圖2所示。激光器發(fā)出激光束①，由分光鏡分裂成反射光束②和發(fā)射光束③。這兩束光分別經(jīng)反射鏡又反射到分光鏡的同一位置，由分光鏡進(jìn)行調(diào)制后，把光束④傳送到激光器中，從而使這兩束光在激光探測(cè)器中產(chǎn)生干涉條紋。最后傳送到計(jì)算機(jī)中得到誤差數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)控銑床定位誤差檢測(cè)的主要步驟

利用雷尼紹LaserXL-30激光干涉儀對(duì)MVC850B數(shù)控銑床X軸、Y軸定位誤差進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示，測(cè)量步驟如下：1）銑床X（Y）軸回參考點(diǎn)；2）測(cè)量X（Y）軸，沿X（Y）軸方向擺放儀器，確定固定部和可動(dòng)部，固定分光鏡在固定部，反射鏡在可動(dòng)部；3）接通電源，在測(cè)量起點(diǎn)調(diào)整反射鏡，使反射光完全進(jìn)入激光器，移動(dòng)可動(dòng)部到測(cè)量終點(diǎn)，調(diào)整激光器，再次使反射光完全進(jìn)入激光器；4）在測(cè)量軟件中設(shè)定測(cè)量行程及測(cè)量點(diǎn)數(shù)，編程定步距移動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)，檢測(cè)并記錄工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)位移；5）統(tǒng)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，用相關(guān)軟件繪制誤差變化圖。

3 數(shù)控銑床定位精度分析

3.1 反向間隙誤差分析

圖4 X軸正反進(jìn)給定位誤差變化圖

圖5 Y軸正反進(jìn)給定位誤差變化圖

以銑床參考點(diǎn)為測(cè)量起點(diǎn)，分別測(cè)量X軸、Y軸的定位誤差，設(shè)定步長(zhǎng)為50 mm，機(jī)床先反向進(jìn)給，再正向進(jìn)給，一個(gè)來(lái)回為一次，連續(xù)測(cè)量5次，取各點(diǎn)的平均值。得到X軸0～-800 mm、Y軸0～-500 mm的定位誤差變化規(guī)律如圖4、圖5所示。

利用Origin對(duì)測(cè)量的定位誤差進(jìn)行線性擬合，可以得到定位誤差δ關(guān)于行程l根據(jù)線性擬合表達(dá)式：

則X軸、Y軸反、正向進(jìn)給的定位誤差擬合表達(dá)式為：

令δr為數(shù)控銑床的反向間隙誤差值，則通過(guò)式（6）：

可以計(jì)算得到X軸反向間隙為0.0077 mm，Y軸反向間隙為0.0141 mm。在此次研究中，MVC850B數(shù)控銑床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是靠伺服電動(dòng)機(jī)直接通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再由絲桿螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，軸承裝配精度較高。故反向間隙誤差主要由絲桿螺母副之間的間隙造成。由于滾珠絲桿制造裝配及碰撞磨損等因素，使其與絲桿螺母副之間存在傳動(dòng)間隙，如圖6所示，當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠絲杠會(huì)走過(guò)一段空隙而工作臺(tái)實(shí)際位置不變，從而造成的工作臺(tái)位移量與理論值不同，影響零件最終加工精度。

圖6 反向誤差間隙基本原理

3.2 螺距誤差分析

為了能夠更加細(xì)致地分析MVC850B數(shù)控銑床的螺距誤差的規(guī)律，以步長(zhǎng)為5 mm測(cè)量一次X軸反向進(jìn)給0～-800 mm的定位誤差。為了觀察更加方便和明顯，在處理數(shù)據(jù)時(shí)銑床參考點(diǎn)設(shè)為橫坐標(biāo)的零點(diǎn)，以銑床反向進(jìn)給方向定為橫坐標(biāo)的正方向，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

螺距誤差主要由漸進(jìn)性誤差、鋸齒形周期性誤差、局部性誤差三部分組成。

圖7 X軸螺距誤差詳細(xì)圖

用a+bl表示漸進(jìn)性誤差，其主要由于機(jī)床母絲杠的螺距累積誤差造成，是影響工作臺(tái)定位精度的最主要因素。同樣對(duì)圖7的X軸定位誤差進(jìn)行線性擬合，得到擬合表達(dá)式為

滾珠絲桿在制造過(guò)程中螺距會(huì)存在制造誤差，而且在機(jī)床使用過(guò)程中，會(huì)對(duì)絲桿造成磨損，使得在加工過(guò)程中單方向的定位誤差隨著螺距誤差的累積呈線性增大。

鋸齒形周期性誤差是由多項(xiàng)諧波誤差合成的誤差部分。周期性跳動(dòng)的影響因素主要有：機(jī)床傳動(dòng)鏈中各元件，如母絲桿、齒輪等的周期性誤差；軸承內(nèi)外圈的端面跳動(dòng)和軸承內(nèi)外圈滾道的側(cè)向擺動(dòng)，導(dǎo)軌的直線度誤差等。這些因素造成的機(jī)床周期性誤差也嚴(yán)重影響了機(jī)床的傳動(dòng)精度。為了更加清楚地表達(dá)螺距誤差的周期性，把螺距誤差整體消除掉漸進(jìn)性誤差的影響，得到周期性誤差如圖8所示。

圖8 周期性誤差詳細(xì)圖

可以從圖8中得到，MVC850B數(shù)控銑床X軸的螺距誤差大致以75 mm為一個(gè)周期，每次突降大約6 μm。在機(jī)床開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，誤差變化較小。由于MVC850B數(shù)控銑床所用的滾珠絲桿型號(hào)是40-10，螺距為10 mm，與螺距誤差的周期性相關(guān)性不大。機(jī)床是由伺服電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)絲桿，軸承的周期與絲桿一樣，與螺距誤差的周期性相關(guān)性也不大。故MVC850B數(shù)控銑床X軸的螺距誤差主要由導(dǎo)軌的直線度誤差造成。其誤差原理圖如圖9所示。

圖9 導(dǎo)軌直線度誤差幾何關(guān)系

圖9中：L為理論行程；L1為X軸行程測(cè)量值；H為兩導(dǎo)軌面的距離；h為導(dǎo)軌直線度誤差；θ為滑體的角度波動(dòng)；δ為定位誤差。

可以看出，導(dǎo)軌存在直線度誤差時(shí)，絲桿在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下走的行程不等于激光干涉儀的測(cè)量值。很直接的原因是由于存在直線度誤差，導(dǎo)致機(jī)床滑體在固定坐標(biāo)位置時(shí)與X軸理想方向出現(xiàn)微小的傾角θ，而這一傾角θ使固定于工作臺(tái)的激光檢測(cè)反射鏡組也隨之出現(xiàn)偏擺，最終工作臺(tái)行程將與激光干涉儀的測(cè)量值L1將不一致。

根據(jù)幾何分析：

可以得到，由導(dǎo)軌產(chǎn)生的螺距誤差周期性是和正切函數(shù)有關(guān)，正切函數(shù)的周期用機(jī)床的行程來(lái)表示為75 mm，而螺距誤差每隔一個(gè)周期突降6 μm也符合正切函數(shù)的特點(diǎn)。故MVC850B數(shù)控銑床X軸的螺距誤差的周期性主要與導(dǎo)軌直線度有關(guān)，導(dǎo)軌存在大致呈周期性的撓曲。

局部性誤差是一種隨機(jī)誤差，它是由于操作中不正常的偶然因素、其他環(huán)境因素或者測(cè)量?jī)x器的不確定因素造成的，此次用的LaserXL-30激光干涉儀的測(cè)量精度在1 μm。左右，測(cè)量環(huán)境濕度較大，溫度在15℃左右。

3.3 重復(fù)定位精度分析

數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度是指在數(shù)控機(jī)床上反復(fù)運(yùn)行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需要至少在機(jī)床最大行程上往復(fù)測(cè)量5次。X、Y軸重復(fù)定位誤差測(cè)量結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 X軸重復(fù)定位精度

圖11 Y軸重復(fù)定位精度

由圖11可知，X軸正、反向重復(fù)定位誤差分別為2.5 μm、2.3 μm；Y軸正、反向重復(fù)定位誤差分別為4.1 μm、8.9 μm。可以很明顯得知，Y軸的重復(fù)定位精度相比較于X軸的重復(fù)定位精度較差。重復(fù)定位精度主要是因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響，機(jī)床的振動(dòng)及隨著機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致機(jī)床溫度上升等。

4 結(jié)論

文章主要分析數(shù)控銑床的定位精度的影響因素，采用RENISHAW LaserXL-30激光干涉儀對(duì)MVC850B數(shù)控銑床X、Y軸定位誤差進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)測(cè)量結(jié)果從反向間隙誤差、螺距誤差、重復(fù)定位精度3個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的分析，得出反向間隙誤差主要由絲桿螺母副的間隙引起；螺距誤差主要由絲桿螺距誤差的累積以及導(dǎo)軌直線度誤差造成；重復(fù)定位精度主要與機(jī)床的振動(dòng)等有關(guān)。測(cè)量結(jié)果表明，Y軸的反向間隙誤差和重復(fù)定位誤差都要比X軸差，說(shuō)明Y軸滾珠絲桿、軸承等傳動(dòng)鏈磨損較為嚴(yán)重。此次論文的研究為如何提高機(jī)床的定位精度提供了理論支持。

[1] RAHOU M,SEBAA F,CHEIKH A.Study and Modeling of Machining Errors on the NC Machine Tool[J].International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research,2017(1):54-57.

[2] 申曉龍,胡佳英,張明軍.數(shù)控銑床幾何誤差測(cè)量與反向間隙誤差補(bǔ)償試驗(yàn)[J].科技導(dǎo)報(bào),2011,29(35):68-73.

[3] 韓訓(xùn)梅.數(shù)控機(jī)床反向間隙的測(cè)量與補(bǔ)償[J].伺服控制,2010(8):80-81.

[4] 梁時(shí)科.三軸數(shù)控銑床的幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)[J].裝備制造技術(shù),2013(7):73-75.

[5] YANG J,ALTINTAS Y.A generalized on-line estimation and control of five-axis contouring errors of CNC machine tools[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2015,88:9-23.

[6] 唐笑,劉壯,趙義順.三軸數(shù)控銑床幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2009,38(11):61-63.

[7] 王金棟,郭俊杰,費(fèi)致根,等.基于激光干涉儀的數(shù)控機(jī)床幾何誤差辨識(shí)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(14):13-19.

[8] ZHANG H,YANG J,ZHANG Y,et al.Measurement and compensation for volumetric positioning errors of CNC machine tools considering thermal effect[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2011,55(1-4):275-283.

[9] BOSETTI P,BRUSCHI S.Enhancing positioning accuracy of CNC machine tools by means of direct measurement of deformation[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,58(5-8):651-662.

[10]馬軍旭,趙萬(wàn)華,張根保.國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性分析及研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(22):3108-3115.

[11]李繼中.改善數(shù)控機(jī)床精度的方法探索與分析[J].工具技術(shù),2012(46):48-52.

[12]余德忠,盧干.三軸數(shù)控機(jī)床定位誤差檢測(cè)分析及其補(bǔ)償[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010,26(4):82-84.

[13]曹永潔,傅建中.數(shù)控機(jī)床定位精度檢測(cè)方法比較[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2006(11):60-63.

[14]張變霞,沈興全.球桿儀的三軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差檢測(cè)方法與誤差補(bǔ)償[J].煤礦機(jī)械,2008,29(3):168-170.

[15] 楊新剛,黃玉美,朱德祥,等.基于激光干涉儀的垂直軸滾轉(zhuǎn)角誤差測(cè)量方法[J].中國(guó)機(jī)械工程,2009,20(12):1399-1402.