數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)與誤差補(bǔ)償

李 凱

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

數(shù)控機(jī)床因其加工精度高、可靠性高、柔性好等優(yōu)勢(shì)作為現(xiàn)代制造技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備用來(lái)加工高精度復(fù)雜曲面零件。在航空航天等高精尖制造領(lǐng)域，大部分產(chǎn)品的零部件需采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)進(jìn)行探究，升級(jí)檢測(cè)手段，尋找數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)過(guò)程中易發(fā)生的問(wèn)題并優(yōu)化，是保證數(shù)控機(jī)床加工精度的必要環(huán)節(jié)。

1 數(shù)控機(jī)床的加工誤差

1.1 產(chǎn)生原因

數(shù)控機(jī)床加工誤差產(chǎn)生的原因有：①數(shù)控機(jī)床的床身、立柱、絲杠、導(dǎo)軌等零部件在加工制造及裝配過(guò)程中存在幾何誤差；②機(jī)床在使用過(guò)程中，由于自身所處的環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致熱變形誤差；③在機(jī)床切削零件過(guò)程中由振動(dòng)導(dǎo)致誤差和反饋系統(tǒng)響應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致的反饋誤差；④在伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的跟隨誤差等。這些影響因素相互疊加，導(dǎo)致零件實(shí)際加工精度與理論計(jì)算出現(xiàn)偏差。

1.2 提高數(shù)控機(jī)床精度的途徑

機(jī)床精度誤差對(duì)工件加工精度影響很大，為縮減機(jī)床誤差，可從以下7 個(gè)方面著手考慮：①提高主軸的回轉(zhuǎn)精度；②減小機(jī)床導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)誤差；③提高機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的精度；④提高機(jī)床的重復(fù)定位精度；⑤縮減機(jī)床反饋裝置的誤差；⑥縮減力誤差產(chǎn)生的變形；⑦縮減熱變形產(chǎn)生的誤差。

2 數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)

2.1 干涉鏡工作原理

干涉鏡包括一個(gè)單一波長(zhǎng)的單色光源，一個(gè)分光鏡（半銀色的透鏡），兩個(gè)反射鏡。光源在分光鏡表面分開，1/2 光束呈90°反射到固定距離透鏡1，1/2 光束透過(guò)分光鏡到達(dá)可移動(dòng)的透鏡2，透鏡1 與透鏡2 互相垂直，這樣兩個(gè)透鏡反射回來(lái)的光相互平行，并且向同一方向反射回去。如果兩個(gè)透鏡與分光鏡的距離相同，則反射光束發(fā)生“相長(zhǎng)性干涉”，此時(shí)反射光較亮。如果改變透鏡2 的距離，使其位置偏移大約1/4 光源波長(zhǎng)，則反射光發(fā)生“相消性干涉”，此時(shí)反射光較暗。在已知單色光波長(zhǎng)的情況下，通過(guò)計(jì)算移動(dòng)透鏡時(shí)的明暗光變化次數(shù)來(lái)確定透鏡2 的移動(dòng)距離。

2.2 線性軸精度檢測(cè)原理

雷尼紹XL 系統(tǒng)通過(guò)將一個(gè)反射鏡固定在分光鏡上，形成一個(gè)固定長(zhǎng)度的基準(zhǔn)臂，另一個(gè)反射鏡相對(duì)分光鏡可以移動(dòng)，形成可變長(zhǎng)度的測(cè)量臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性軸精度測(cè)量。

從XL 系統(tǒng)發(fā)出單一頻率的激光束①，其波長(zhǎng)已知且穩(wěn)定，到達(dá)分光鏡被分成反射光②和透射光③，這兩道光通過(guò)反射鏡反射后，透過(guò)分光鏡形成干涉光束④，如果光程沒(méi)有變化，探測(cè)器會(huì)在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極間得到穩(wěn)定的信號(hào)。如果光程發(fā)生變化，則探測(cè)器會(huì)得到變化的信號(hào)，通過(guò)變化的信號(hào)來(lái)計(jì)算出光程的變化，確定反射鏡的移動(dòng)距離（圖1）。

圖1 XL 激光器系統(tǒng)

2.3 直線軸定位精度、重復(fù)定位精度檢測(cè)結(jié)果分析

本次選取一臺(tái)龍門銑床作為案例，對(duì)該機(jī)床的直線軸（X 軸、Y 軸、Z 軸）進(jìn)行定位精度及重復(fù)定位精度檢測(cè)，分析檢測(cè)結(jié)果并對(duì)各軸精度進(jìn)行補(bǔ)償（圖2～圖4）。

圖2 對(duì)X 軸進(jìn)行精度檢測(cè)

圖3 對(duì)Y 軸進(jìn)行精度檢測(cè)

圖4 對(duì)Z 軸進(jìn)行精度檢測(cè)

2.3.1 對(duì)X 軸進(jìn)行精度檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析

采取VDI 3441 標(biāo)準(zhǔn)分析未進(jìn)行精度補(bǔ)償前的X 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果（表1）。

表1 補(bǔ)償前X 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果 mm

利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制誤差補(bǔ)償表，使用絕對(duì)值補(bǔ)償?shù)姆椒?，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補(bǔ)償值，數(shù)據(jù)生效后重新運(yùn)行檢測(cè)程序，檢測(cè)X 軸的定位精度及重復(fù)定位精度。采取VDI 3441 標(biāo)準(zhǔn)分析補(bǔ)償后的X 軸精度檢測(cè)結(jié)果見表2。

由表2 可知X 軸定位精度為6.4 μm，重復(fù)定位精度為3.8 μm，反向誤差為1 μm，根據(jù)該機(jī)床技術(shù)協(xié)議中的精度檢測(cè)值允差：定位精度8 μm，重復(fù)定位精度6 μm，判定該軸精度符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表2 補(bǔ)償后X 軸精度檢測(cè)結(jié)果 mm

2.3.2 對(duì)Y 軸進(jìn)行精度檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析

采取VDI 3441 分析未進(jìn)行精度補(bǔ)償前的Y 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果（表3）。

表3 補(bǔ)償前Y 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果 mm

利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制誤差補(bǔ)償表，使用絕對(duì)值補(bǔ)償?shù)姆椒?，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補(bǔ)償值，數(shù)據(jù)生效后重新運(yùn)行檢測(cè)程序，檢測(cè)Y 軸的定位精度及重復(fù)定位精度。采取VDI 3441 標(biāo)準(zhǔn)分析補(bǔ)償后的Y 軸精度檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 補(bǔ)償后Y 軸精度檢測(cè)結(jié)果 mm

由表4 可知Y 軸定位精度為7.9 μm，重復(fù)定位精度為4.8 μm，反向誤差為2.3 μm，根據(jù)該機(jī)床技術(shù)協(xié)議中的精度檢測(cè)值允差：定位精度8 μm，重復(fù)定位精度6 μm，判定該軸精度符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3 對(duì)Z 軸進(jìn)行精度檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析

采取VDI 3441 分析未進(jìn)行精度補(bǔ)償前的Z 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果（表5）。

表5 補(bǔ)償前Z 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果 mm

利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制誤差補(bǔ)償表，使用絕對(duì)值補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ跈C(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補(bǔ)償值，數(shù)據(jù)生效后重新運(yùn)行檢測(cè)程序，檢測(cè)Z 軸的定位精度及重復(fù)定位精度。采取VDI 3441 標(biāo)準(zhǔn)分析補(bǔ)償后的Z 軸精度檢測(cè)結(jié)果見表6。

表6 補(bǔ)償后Z 軸精度檢測(cè)結(jié)果 mm

由表6 可知Z 軸定位精度為4 μm，重復(fù)定位精度為2.5 μm，反向誤差為0.8 μm，根據(jù)該機(jī)床技術(shù)協(xié)議中的精度檢測(cè)值允差：定位精度8 μm，重復(fù)定位精度6 μm，判定該軸精度符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 回轉(zhuǎn)軸精度檢測(cè)原理

XR20-W 無(wú)線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置安裝在被測(cè)軸上，通過(guò)激光裝置配合使用對(duì)回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行校準(zhǔn)，首先將激光系統(tǒng)安裝在三腳架上，安裝好的激光系統(tǒng)與角度干涉鏡和一個(gè)集成在XR20-W 頂部的角度反射鏡保持準(zhǔn)直。角度干涉鏡通過(guò)安裝組件和磁力座安裝在適當(dāng)位置，如機(jī)床的主軸或機(jī)床的工作臺(tái)上。激光干涉儀發(fā)出的光束通過(guò)角度干涉鏡變成兩束光，兩束光經(jīng)過(guò)XR20-W頂部的反射鏡反射后再次通過(guò)角度干涉鏡合并為一束光，探測(cè)器通過(guò)返回的光束測(cè)量角度位置。軟件將該值與XR20-W 上的角度讀數(shù)結(jié)合，從而給出被測(cè)工作臺(tái)的準(zhǔn)確位置。通過(guò)使軸旋轉(zhuǎn)一系列的角度目標(biāo)對(duì)回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軟件控制XR20-W 反向旋轉(zhuǎn)使激光光束返回激光頭，以確保光強(qiáng)。通過(guò)CNC 控制的軸運(yùn)行零件程序，該程序使軸在一些目標(biāo)位置停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，便于檢測(cè)軸的準(zhǔn)確位置，通過(guò)與程序中的位置對(duì)比，計(jì)算出角度誤差。

在所需目標(biāo)位置采集數(shù)據(jù)后，軟件可在數(shù)據(jù)文件中儲(chǔ)存測(cè)量的角度誤差?？梢杂涗涊S的角度誤差，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試后，可觀察測(cè)量過(guò)程中的誤差變化。

2.5 對(duì)回轉(zhuǎn)軸（C 軸）進(jìn)行精度檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析

選取一臺(tái)龍門銑床作為案例，對(duì)該機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸（C 軸）進(jìn)行定位及重復(fù)定位精度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)該軸進(jìn)行補(bǔ)償（圖5）。

圖5 對(duì)C 軸進(jìn)行精度檢測(cè)

采取VDI 3441 分析未進(jìn)行精度補(bǔ)償前的C 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果（表7）。

表7 補(bǔ)償前C 軸定位精度檢測(cè)結(jié)果 ″

利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制誤差補(bǔ)償表，使用絕對(duì)值補(bǔ)償?shù)姆椒?，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)輸入補(bǔ)償值，數(shù)據(jù)生效后重新運(yùn)行檢測(cè)程序，檢測(cè)C 軸的定位精度及重復(fù)定位精度。采取VDI 3441 標(biāo)準(zhǔn)分析補(bǔ)償后的C 軸精度檢測(cè)結(jié)果見表8。

由表8 可知補(bǔ)償后的C 軸定位精度為6.77″，重復(fù)定位精度為3.68″，反向誤差為3.43″，根據(jù)該機(jī)床技術(shù)協(xié)議中的精度檢測(cè)值允差：定位精度8″，重復(fù)定位精度6″，判定該軸精度符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表8 補(bǔ)償后C 軸精度檢測(cè)結(jié)果 ″

3 激光干涉儀在機(jī)床精度檢測(cè)過(guò)程中存在的誤差

在日常使用激光干涉儀進(jìn)行精度檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)以下情況會(huì)導(dǎo)致精度檢測(cè)值存在較大誤差：

（1）激光干涉儀未按期計(jì)量引起的測(cè)量誤差。實(shí)際使用過(guò)程中，必須按照要求定期送往具有相應(yīng)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量，保證干涉儀本身的精度。

（2）激光干涉儀未按照要求進(jìn)行保養(yǎng)，造成干涉儀測(cè)量穩(wěn)定性差。在日常使用過(guò)程中，必須按照說(shuō)明書保養(yǎng)規(guī)程定期進(jìn)行保養(yǎng)，尤其是傳感器接頭、干涉鏡組等易損部件。

（3）數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)時(shí)因環(huán)境溫度引起的機(jī)床表面溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。在檢測(cè)前確保設(shè)備處于環(huán)境溫度變化不大的環(huán)境中，避免因陽(yáng)光直射、空調(diào)冷暖風(fēng)等因素帶來(lái)的環(huán)境溫度變化。在設(shè)備使用前應(yīng)檢查精度檢測(cè)系統(tǒng)中環(huán)境傳感器及環(huán)境誤差補(bǔ)償功能是否正常開啟，確保對(duì)環(huán)境誤差的有效控制。

（4）數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)時(shí)因機(jī)床運(yùn)行程序編制有誤導(dǎo)致測(cè)量誤差。應(yīng)在檢測(cè)開始前對(duì)機(jī)床運(yùn)行程序進(jìn)行調(diào)試，檢查運(yùn)行程序代碼中的關(guān)鍵參數(shù)如進(jìn)給速度、越程量、目標(biāo)位置、循環(huán)次數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)停頓時(shí)間等的設(shè)置是否合理有效。在程序調(diào)試中應(yīng)尤其注意機(jī)床運(yùn)行程序中停頓位置的設(shè)置是否與精度檢驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)置的停頓位置是否一致，避免因設(shè)置不當(dāng)引起的檢測(cè)誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

激光干涉儀具有檢測(cè)精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，利用其對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)數(shù)控機(jī)床的直線軸、回轉(zhuǎn)軸定位精度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，需要注意各種外界影響因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成誤差，通過(guò)采取相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)降低測(cè)量誤差，提高精度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升數(shù)控加工機(jī)床的加工可靠性。