數控機床定位精度測量實驗綜述報告

白 琨 田一鳴

(合肥學院先進制造工程學院,安徽 合肥 230601)

1 概述

當前各行各業隨著制造業的快速發展,對產品精度的要求越來越高,尤其是在高端、精端產業中,對產品的加工精度要求從精密加工到超精密加工,不斷提高到目前的優于0.03um 的納米加工。產品加工精度好壞的一個很重要因素是數控機床的定位精度CNCPA(Computer Numerical Control Machines Positional Accuracy)。CNCPA 是指所測機床運動部件在數控系統控制下運動時所能達到的位置精度[1]。該精度會對機床切削精度產生重要影響,特別在加工孔隙時,會影響到孔距誤差。因此在機械制造加工領域,對數控機床定位精度進行測量實驗具有重要的意義。

2 定位精度測量方法

2.1 一維球列法

天津大學李書和[2]較早地提出了采用一維球列法對機床定位精度進行檢測。以X 軸的定位精度測量為例,將球心距高精度標定好的一維球列固定在工作臺上, 使其與X 軸平行,將三維電容傳感器固定在機床的主軸上。啟動X 軸直線運動,測量一維球列的各球心坐標,測量的機床坐標與標定的球心距之差就是機床的定位誤差。該測量方法的特點是制作一維球列的方法簡單,不必將各球心嚴格的控制在一條直線上；價格較低,性價比高,可以直接或間接測量除機床定位精度以外的其他21 項機床幾何誤差,以及可以同時測量X、Y、Z 方向的誤差。圖1 所示的測量示意圖為一維球列法。

圖1 一維球列法測量示意圖

2.2 平面正交光柵法

平面正交光柵法是20 世紀末出現的測量技術[3]。其工作原理是光柵讀數頭和光柵圓盤做相對運動時產生較大的莫爾條紋,通過檢測較易測量的莫爾條紋的位移測量出實際光柵不易直接檢測的微小位移[4]。其特點是測量范圍大,可以測量平面內的參數,測量的精度較高,但是價格也較為昂貴。圖2 所示的測量示意圖為平面正交光柵法。

圖2 平面正交光柵法測量示意圖

2.3 激光干涉法

激光干涉法是以激光的干涉性為基礎進行測量的。利用激光作為長度基準,對數控設備(加工中心、三坐標測量機等)的位置精度(定位精度、重復定位精度等)、幾何精度(俯仰扭擺角度、直線度、垂直度等)進行精密測量[5]。其特點是測量速度快、精度高、價格高。激光法測量示意圖如圖3 所示。

圖3 激光法測量示意圖

3 激光干涉儀的應用

胡安繼等[6]采用激光干涉法,利用激光干涉儀分光鏡和旋轉鏡的組合,巧妙地解決了斜導軌數控機床傾斜軸檢測難題。通過光柵式尺位移傳感器對機床運動位置補償,將機床運動定位精度提高近10 倍,極大的提高了數控機床加工性能。江彌峰[7]通過激光干涉儀精度補償,可以大大提升數控車床Z 軸的定位精度和重復定位精度。賈平平[8]利用激光干涉儀對X 軸連接桿的變形量進行了測量,根據測量結果進行了結構的重新設計,實現了精度補償及測量的穩定。蔣興興[9]認為激光干涉儀是目前有效測量數控機床螺距誤差和反向間隙的儀器設備。

從現有的研究成果來看,較為普遍的測量方法是采用激光干涉法來對機床定位精度進行測量。雖然設備價格高,但其操作較簡單,測量速度快,數據處理方便。同時,國內大力推動校企合作,加深產學交融,使得高校、科研院所擁有的昂貴激光干涉儀可以方便地為企業所用,即提高了國有資產的使用效率,也為企業節省了大量的成本。下面就以激光干涉儀測量某新研發的多軸聯動數控機床的定位精度為例,闡述測量實驗的過程及數據分析。

4 基于激光干涉儀的機床位置精度測量

4.1 實驗目的

(1)了解激光干涉儀等精密檢測儀器的基本工作原理及應用方法。

(2)了解激光干涉儀的測量范圍。

(3)了解激光干涉儀的組成。

(4)掌握基于激光干涉儀進行數控機床位置精度測量的操作方法。

4.2 實驗條件

檢測對象為某新型六軸聯動數控機床的X 軸定位精度。檢測儀器為激光干涉儀一臺(型號為雷尼紹XL-80)。該設備可以產生非常穩定的激光光束,線性測量精度在整個環境范圍內精度為±0.5 ppm。測量環境見表1。

表1 測量環境

4.3 實驗原理

機床定位精度和重復定位精度屬于線性測量,激光干涉儀線性測量原理如圖4 所示。

圖4 激光干涉儀線性測量原理

激光發射器做為光源發出的光束射入干涉鏡組,然后光束被分成兩路。一路由干涉鏡組的分光鏡分配到干涉鏡組的線性反射鏡上(光束垂直于原來的光束路徑),進而被反射回激光發射器,該反射光束與原始光束路徑平行,做為參考光束,測量時保持不動；另一路則直接通過干涉鏡組的分光鏡進入后方的線性反射鏡,并被反射回激光發射器,該反射光束也與原始光束路徑保持平行,做為測量光束。在進行精度測量時,干涉鏡組安裝在固定臺上保持靜止不動,后方的線性反射鏡組被安裝在被測軸上,沿線性軸移動。由于光的干涉現象,兩路光束的光程會隨著被測機器位置誤差的變化產生差異,該差異在干涉條紋上表現為條紋數量的變化。激光干涉器的內部組件可以檢測出這些干涉條紋的數量,并乘以光束波長的一半,從而得到測量的長度,并將這些測量值與定位系統上的數值進行比較,最終獲得精度誤差。測量系統搭建如圖5 所示。系統從左到右依次為計算機運行激光校準軟件平臺、XC-80 環境補償器、XL-80 激光發射器和光學鏡組。由于光束波長與空氣折射率有關,會隨著空氣的氣溫、壓力、溫度等發生變化,因此在測量時加入了環境補償器,對上述環境參數的變化進行實時地補償,以期消除測量誤差獲得更加精確的測量精度。

圖5 測量系統搭建

4.4 實驗步驟

(1)啟動數控機床,將主軸置于測量軸移動方向的近端極限位置。

(2)在機床主軸合適位置固定線性反射鏡,注意固定位置應選在振動源較少的位置。

(3)在工作臺上固定干涉鏡組件,肉眼使之與線性反射鏡相互平行,間隔小于10mm,且盡可能保持高度相同。

(4)開啟激光干涉儀,等待5 分鐘左右,激光指示燈逐個變為綠色后即為穩定狀態,可以進行測量。調整主機的左右移動調整旋鈕、左右偏擺旋鈕和俯仰旋鈕,以及三腳架,使激光頭發射的激光與干涉鏡組和反射鏡組處于一條直線上,經過幾次調整,使得儀器在近端到遠端的全量程范圍內接收信號指示燈全部為綠色且信號穩定,此時儀器的測量精度最高。

(5)設置軟件測量參數。機床定位精度測量需要設置的參數主要包括：測量軸的移動行程、移動初始點和停止點、數據采集的間距、運行次數等。如表2 所示。

表2 測量參數表

(6)將機床定位測量的運行代碼輸入控制器,測量前準備完成。測量時機床的運行程序也可通過數據采集軟件CARTO Capture 3.0 自動生成數控G 代碼；將G 代碼拷入機床,進行機床精度測量的運行操作。

(7)軟件中點擊采集,啟動機床程序時行數據采集測量。

(8)測量結束后運用CARTO Explore 3.0 軟件進行自動數據分析,見表3 和圖6。

4.5 實驗結果分析

雷尼紹激光干涉儀自帶數據分析軟件,導入采集數據,選擇測量標準,進行結果分析。從表3 和圖6 中可以得出,該機床在測量的范圍內被測軸軸線的雙向定位精度為14.6μm,正向方向的軸線定位精度為11.7μm,反向軸線單向定位精度為14.3μm。利用這些數值對機床的加工路徑進行補償,使機床加工精度達到最優。實際測量時需要注意光學鏡組的安裝位置,尤其是線性反光鏡的位置。由于線性反光鏡是移動鏡組,所以當機床運行時產生的微小振動都會對其測量誤差帶來較大的波動,且采集點的誤差隨機性很大,這必然會給機床定位補償帶來不確定性,進而使得加工精度不能保證。

圖6 采樣三合曲線圖

表3 精度性能分析表

5 結論

5.1 用激光干涉法對數控機床進行定位精度測量已經成為目前普遍采用的方法。

5.2 激光干涉儀的使用范圍廣泛,不僅僅用于數控機床定位精度的測量,且其測量軟件功能強大,提供了各種標準的數據分析結果,曲線圖等。

5.3 通過對激光干涉儀測量機床定位精度的實驗闡述,可以看出其實驗原理簡單,儀器操作易掌握,測量精度和測量效率高。