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某臥式數控車床（chuáng）圓軌（guǐ）跡精度測試與分析

2020-5-25 來源：沈（shěn）陽機床股份有限（xiàn）公司作者：譚智馬曉波，曹鐸

摘要：本（běn）文首先分析（xī）了球杆儀測試的基本原理，後以臥式數控（kòng）車床為例，梳（shū）理了數控車床圓軌跡精度測試流（liú）程，並測量了該臥式（shì）數控車床的圓軌跡精度，並對各誤差（chà）項在圓度（dù）誤差中的占比（bǐ）進行了分析。通過整個測試及優化流程，證明了該測試流程、誤（wù）差識別方法省時高效。

關鍵詞 ：球杆儀；測試流程；圓軌跡測試（shì）

目前（qián）隨著數控機床製造技術的突飛猛發展，數控機床市場的需求量（liàng）及技術要求也隨之越來越高；如何能在提高生（shēng）產效率的同時（shí），最大（dà）限度地降低製造成（chéng）本、縮短交貨周期（qī）、並且保證機床的精度，因（yīn）此急需先進的檢測設備及（jí）精度優化的（de）流（liú）程手段[1]。在（zài）影響機床加工精度的因素中，起支配作用的是運動精度。了解掌握機床的運動精度對於精密（mì）加工而言不可或缺。如果構成機床設備的各零部（bù）件的尺寸、形狀精（jīng）度（dù）低，則機床的運動精度（dù）差。另外（wài），安裝與調整控製係統等對機床運動精度也有影響[2]。本文將以球杆儀這一高（gāo）效、便捷的（de）測量儀器來對某臥式數控車床進行圓軌跡精度測（cè）試與分析。

1、球杆儀誤差（chà）測量原理

1.1 球杆（gǎn）儀結構簡述

圖 1 球杆儀構造（zào）圖

1. 傳感器球 2.LED 狀（zhuàng）態指示燈 3. 無線電通信模塊 4. 中心球（固定）5. 開

關（guān）和電池蓋 6. 球杆（gǎn）儀傳感器 7. 序列號（底部）8. 蓋環

英國 Renishaw 公司生產的 QC20 球杆儀（yí）是一種（zhǒng）快速檢測機床性（xìng）能的精密儀器（qì），具體（tǐ）的構造（zào）如圖 1 所示，球杆儀的傳感器是球杆儀係統的主要部件，是一（yī）個精密的線性傳感器，能夠（gòu）精確測出在球杆標稱 (100 mm) 長度 ±1 mm 行程內（nèi）的伸縮量。此傳感器可提供電子信（xìn）號，這些信（xìn）號經處（chù）理後與計（jì）算機無線通訊。這允許 Ballbar 20 軟件對傳感器名（míng）義長度上的微小變化進行測量和分析。

1.2 球杆儀的測（cè）試原理

用球（qiú）杆儀進行誤差測量，設坐（zuò）標係的原點 O(0,0) 為車床主軸軸杆上球座的中（zhōng）心（xīn），P(x,z) 為刀架臂（bì）球（qiú）心的名（míng）義坐（zuò）標，當機床運動（dòng）到目標位置 P(x,z) 時，設機床的實際位置為（wéi）P'(x',z')。則機床的（de）空間誤差可用這兩個坐標表示如下：

式（shì）（4）表示點 P 處（chù）的定位和球杆儀半徑誤差的關係。該式是（shì）球杆儀測量裝置的基本方程式，反映了測（cè）量結果與誤差矢量之間的關係。測量所有的 ∆R，做出圓度誤差（chà）曲（qǔ）線（xiàn），可（kě）以綜合反映出（chū）機床部（bù）件相互幾何關係等因素。

2 、測試內容及過程

針對數控車床（chuáng）進行球杆儀圓弧插補（bǔ）測試的總體（tǐ）測試流程如圖 2。

①先預熱機床：使機床以測試速度運行半（bàn）個小時，讓機床進行充分的潤滑與熱機；②再確定測試（shì）半徑（jìng）：按照測試需求及機床行程選擇測量半徑；③對程序進行預運行：按照（zhào）選定（dìng）的半徑、速度進行程序預運行，確保測試程序沒有問題（tí）；④確保（bǎo）球杆儀連接：連接球杆儀，包括（kuò）電源、傳感器、球座，將（jiāng）球杆儀鏈接（jiē）到機床，準備（bèi）進行實驗；⑤執（zhí）行測試：在測試程序（xù）通（tōng）過（guò）預運行後，開始執行測試；⑥數（shù）據診斷：對測量結果進行診斷，明確各軸的位置誤差，角（jiǎo）度誤差，直線度，垂直度，以及比例誤差，周期誤差等誤差項的排序。⑦參數優化：在數據診斷的基（jī）礎上（shàng），進行係統參數優化；⑧結果驗證：在優化後對再次執行測試（shì），如測試結果不理想，再次執行參數優化步驟以獲得（dé）更好（hǎo）的優化效果。

圖 2 測試流程（chéng）圖

分別以 500mm/min、1500mm/min、3000mm/min

進（jìn）給速度，100mm 為半徑在 XZ 麵（miàn）內進行圓軌跡測試（shì），獲得

圓度軌跡誤差值。

3、測試結論

以下為 3000mm/min 進（jìn）給速（sù）度的（de）測試結果，經測試圓度為 9.5um。

表 1 誤差及診斷表格單位（wèi）：um

圖 3 測試結果

該台臥式車床經（jīng）測試，Z 方（fāng）向的周期誤差、X 方向的反向躍衝、Z 方向的反向間隙是誤差占比最高的三項。利用球杆儀（yí）對數控機床（chuáng）的幾何誤差進行檢測是一種效率高操作簡單而且測量結果具有較高可（kě）信（xìn）度的實用方法，同時還可以通過故障（zhàng）診斷數據對數控係統進行優化，找出故障問題，可以顯著提高（gāo）數控機床（chuáng）的圓弧插補精（jīng）度。

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