數(shù)控機(jī)床圓精度及補(bǔ)償技術(shù)研究

蔣昌虎，劉 鯤，陳立貴

（馬鞍山機(jī)床及刃模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，安徽 馬鞍山 243000）

數(shù)控機(jī)床的精度是其性能的一項重要指標(biāo)，是影響工件加工精度的重要因素，用低精度機(jī)床加工出高精度的零件是機(jī)床生廠商和機(jī)床用戶共同追求的目標(biāo)。在影響機(jī)床加工精度的因素中，起支配作用的是運動精度。如果存在運動誤差，反映到加工形式上，則會導(dǎo)致加工誤差增大。所以，通過檢測了解掌握機(jī)床的運動精度對于精密加工而言不可或缺。對于多軸加工中心來講，加工大多是在多軸聯(lián)動狀態(tài)下完成的，檢測加工中心“圓運動”的精度不僅可以獲得與加工中心的幾何精度、位置誤差、重復(fù)精度有關(guān)的信息，還可以獲得與進(jìn)給速度和伺服控制系統(tǒng)有關(guān)的動態(tài)誤差分量的信息，包括機(jī)床爬行、標(biāo)尺誤差、反向間隙、伺服增益不匹配和由于伺服響應(yīng)滯后引起的加工半徑減小等誤差分量。

1 球桿儀應(yīng)用

球桿儀可以同時動態(tài)測量兩軸聯(lián)動狀態(tài)下的輪廓誤差，數(shù)控機(jī)床的各軸垂直度、重復(fù)性、間隙、伺服增益比例匹配、伺服性能和絲杠周期性誤差等參數(shù)指標(biāo)都能從運動輪廓的半徑中反映出來。這里將根據(jù)數(shù)控車床的特點，通過分析各誤差元素的敏感方向，設(shè)定不同的球桿儀檢測模式，并通過模擬方式，得到各誤差因素影響下球桿儀的運動軌跡仿真圖形，對球桿儀檢測試驗結(jié)果提出預(yù)測。在ZX平面內(nèi)，X軸與Z軸配合做插補(bǔ)，使球桿儀完成順時針和逆時針各360°圓弧數(shù)據(jù)采集。球桿儀經(jīng)過X軸與Z軸誤差敏感方向，因此兩軸誤差均可在檢測軌跡中得到反映。這種檢測模式，可反映X導(dǎo)軌和Z導(dǎo)軌各自的直線度以及兩軸間的垂直度誤差，另外亦可檢測機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)誤差，若兩軸間存在伺服不匹配誤差，則球桿儀軌跡將呈現(xiàn)橢圓特征，且橢圓長軸與進(jìn)給超前的軸平行。

2 性能優(yōu)化

使用Renishaw的QC20球桿儀可以快速準(zhǔn)確地檢測出數(shù)控車床的各項圓度誤差。電氣參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可以方便有效地減小其中反向躍沖和伺服參數(shù)不匹配等誤差項。

反向躍沖主要是由摩擦引起的。數(shù)控機(jī)床的摩擦特征在伺服軸低速時表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，主要表現(xiàn)在伺服軸換向時速度過零，由于摩擦的存在，該軸不能立刻加速，而產(chǎn)生了滯后，這個滯后就形成了過象限點的凸起，如圖1所示。對于西門子系統(tǒng)，可以使用摩擦補(bǔ)償功能來減小反向躍沖。補(bǔ)償原理是換向時在速度環(huán)上疊加1個額外的補(bǔ)償脈沖，以快速渡過換向區(qū)域，來補(bǔ)償摩擦力急劇變化而引起的過大輪廓誤差。

圖1 圓測試曲線

3 應(yīng)用實例

使用QC20球桿儀對某加工中心XY軸圓運動軌跡進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖2所示。

圖2 圓運動軌跡檢測結(jié)果

由圖2可以看出，該軌跡與標(biāo)準(zhǔn)圓存在較大誤差。軟件誤差分析結(jié)果為：X、Y 軸的位置度、Y軸直線度、XY軸垂直度、X軸反向躍沖分別占比13%、12%、9%。

以上分析可以看出X、Y軸的位置度對圓精度影響也較大，激光干涉儀可以對位置精度進(jìn)行測量，并通過數(shù)控程序進(jìn)行補(bǔ)償。本文采用雷尼紹XL-80對加工中心進(jìn)行定位精度和重復(fù)定位精度測量，得到定位精度和重復(fù)定位精度如圖3所示。

根據(jù)軟件分析結(jié)果，對加工中心的上述要素進(jìn)行調(diào)整后，再次對XY軸圓運動軌跡進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示。從兩圖的對比可以看出，該加工中心XY軸圓軌跡運動特性得到明顯改善。

4 小結(jié)

本文通過使用無線球桿儀對加工中心圓精度進(jìn)行檢測，根據(jù)軟件分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，同時針對位置精度通過激光干涉儀進(jìn)行測量和改進(jìn)，綜合以上措施使加工中心圓精度能得到較大提高。證明了球桿儀及其軟件分析，配合激光干涉儀能夠有效提升加工中心動態(tài)性能。

圖3 定位精度測量曲線

圖4 圓運動軌跡測試結(jié)果

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