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數控機床圓精度及補償技術研究（jiū）

2019-5-5 來源：馬鞍山（shān）機床及刃模具產品質量監督檢驗中心作者：蔣昌虎，劉鯤，陳立貴

摘要：數（shù）控機床誤差的（de）檢測對於提高加工精度具有重要意義。對現有檢測方法進行分析後，采用一種基於 Renishaw QC20-W 球杆（gǎn）儀的圓軌跡（jì）測量方法，獲得加工中心誤差信息（xī），使用激光幹涉儀（yí）通過數控係統對其進行誤差補償，提高機床（chuáng）動態性能。

關鍵詞：數控機床；圓（yuán）檢（jiǎn）驗；誤差分析（xī）

數控機床的精度是其性（xìng）能（néng）的一項重要（yào）指標，是影響工件加工精度的重要因素，用低精度機床加工出高精度的零件是機床生廠商和機（jī）床用戶共同追求的目標。在影響機床（chuáng）加工精度的因（yīn）素中（zhōng），起支配作用的是運動精度（dù）。如果存在運動誤差，反（fǎn）映到加工形（xíng）式上，則（zé）會導（dǎo）致加工誤差增大。所以，通過檢測了解掌握機（jī）床的（de）運動精度對於精密加工而言不可或（huò）缺。對於多軸加工中（zhōng）心來講，加工大多是在多軸聯動狀態下完成的，檢測加工中心“圓運動”的精度不僅可以獲得與加工（gōng）中心的幾何（hé）精度、位置誤（wù）差、重複精（jīng）度有關（guān）的信息，還可以獲得與進給速度和伺服控製係統有關的動態誤差分量（liàng）的信息，包括機床爬行、標尺誤差、反向間隙、伺服增益不匹配（pèi）和由於伺服響應滯後引起的加工半徑減小等誤差分量。

1 、球杆儀應用

球杆儀（yí）可以同時動（dòng）態測（cè）量兩軸聯動狀態下的輪廓誤差，數控（kòng）機床的各軸垂直度、重複性、間隙、伺服增益比例匹配、伺服性能和絲（sī）杠周期性誤差等參數指標都能從運動輪廓（kuò）的半徑中反映出來。

這裏將根據數控車床的特點，通過分析各誤差元素的敏感方向，設定不同的球杆儀檢測模式，並通過模擬方式，得到各誤差因素影響（xiǎng）下球杆儀的運動軌跡仿真圖形，對球杆儀檢測試驗結果（guǒ）提出預測。

在 ZX 平麵內，X 軸（zhóu）與 Z 軸配合（hé）做插補，使球杆儀完（wán）成順（shùn）時針和逆時針（zhēn）各 360°圓弧數據（jù）采集。球杆儀經過 X 軸與 Z 軸誤差敏感方（fāng）向（xiàng），因此兩軸誤差（chà）均可在檢測軌跡中得到反映。

這種檢測模式，可反映 X 導軌和 Z 導軌各自的直線度以及兩軸間的垂直度誤差，另外亦可檢測機床伺服進給係統誤差，若兩軸間存在伺服（fú）不匹（pǐ）配誤差，則球（qiú）杆儀軌跡將（jiāng）呈現橢（tuǒ）圓特征，且橢（tuǒ）圓長軸與進（jìn）給超前的軸平（píng）行。

2 、性能優化（huà）

使用 Renishaw 的 QC20 球杆儀可以快速（sù）準確地檢測出數控車（chē）床（chuáng）的各項圓度誤差。電（diàn）氣參數優化技術可以方便（biàn）有效地（dì）減小其中反向躍衝和伺服參數不匹配（pèi）等誤差項。反向躍衝主要是由摩擦引起的。

數控機床的摩擦特征在伺服軸低速（sù）時表（biǎo）現出很強的非線性，主要表現在伺服軸換向時速度過零，由於摩擦的存在，該軸不能立刻加速，而產生了滯後，這個滯後就形成（chéng）了象限（xiàn）點的凸起，如（rú）圖 1 所示。

圖1 圓測試曲線（xiàn）

對於西門子係（xì）統（tǒng），可以使用摩擦補償功能來減小反向（xiàng）躍（yuè）衝。補償原（yuán）理是換向時在速度環上疊加 1 個額外的補償（cháng）脈衝，以快速渡過換向（xiàng）區域，來補償摩擦力急劇變化而引（yǐn）起的過大輪廓（kuò）誤差。

3 、應用實例

使用QC20 球杆儀對某加工（gōng）中心 XY 軸圓運動（dòng）軌跡進行檢測，結果如圖2 所示。由圖 2 可以看出，該軌跡與標準圓存在較大（dà）誤差。軟件誤差分析結果為：X、Y 軸的位置度、Y軸直（zhí）線度

、XY 軸垂直度（dù）、X 軸反向躍衝分別占比 13%、12%、9%。

圖 2 圓運動軌跡檢測（cè）結（jié）果

以上分析可以（yǐ）看出 X、Y 軸的位置度（dù）對圓精度影響也較大，激光幹涉（shè）儀可以（yǐ）對位置精度進行測量，並通（tōng）過數控程序進行補償。

本文采用（yòng）雷尼紹 XL-80 對加工中心進行定位精（jīng）度和重複定位精度測量，得到定位精度和重複定位精度如圖 3 所示。

圖 3 定位精度測量曲線

根據軟件分析結果，對加工中心的上述要素進行調整後（hòu），再次對 XY 軸圓運動軌跡進行測（cè）試（shì），測試結果（guǒ）如圖 4 所示。從兩圖的對比可以看出，該加（jiā）工中心 XY 軸圓軌跡運動（dòng）特性得到明顯改善。

圖（tú） 4 圓運動軌跡測試結果

4 、小結

本文通過使用無（wú）線球杆儀對加工中心圓精度進行檢測，根（gēn）據軟件分析結果進行相應調整，同時針對位置精度通過激光幹涉儀進行測量和改進，綜合以上措施使加工中心圓精（jīng）度能得到較大提高。證明了（le）球杆儀及其軟（ruǎn）件分析，配合激光幹涉儀能夠有效提升（shēng）加工中心動態性能。

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