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數控機床圓（yuán）精度及補（bǔ）償技術研究

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

摘要：數控機床誤（wù）差的檢測對於提高加工精度具有重要意義。對現有檢測方法（fǎ）進行分析後，采用一種（zhǒng）基於 Renishaw QC20-W 球杆儀的圓軌跡測量方法，獲得加工中心誤差信息，使用激光幹涉儀（yí）通過數（shù）控係（xì）統對其進行誤差補（bǔ）償，提高機床動態性能（néng）。

關鍵（jiàn）詞：數控機床；圓檢驗；誤差分析

數控機床的精度是其性能的一項重要指標，是影（yǐng）響工件加工（gōng）精度的重要因素，用低精度機床（chuáng）加工出高精度的零件是機床生廠商和機床用戶共同追求的目標。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（shàng），則（zé）會導致加工誤差增大。所以，通過檢測了解掌握機（jī）床的運動精度對於精密（mì）加工而言不可或缺。對於（yú）多軸加工中心來講（jiǎng），加工大多是在（zài）多軸聯動狀態下完成的，檢（jiǎn）測加工中（zhōng）心“圓（yuán）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（chóng）複（fù）精（jīng）度有關的信息，還（hái）可（kě）以（yǐ）獲得與進給速度和伺服（fú）控製係統有關的動態誤差分量的信息，包括機床爬行、標尺（chǐ）誤差、反向間隙、伺服增益不（bú）匹配和由於（yú）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

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

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

在 ZX 平麵內（nèi），X 軸與 Z 軸配合做插補，使球杆儀完成順時針和逆時針各 360°圓弧數據采集。球（qiú）杆儀經過 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 導軌和 Z 導軌各（gè）自的直線度以及（jí）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，若兩軸間存在伺服不匹配誤差，則球杆儀軌跡將呈現橢圓特征（zhēng），且橢圓長軸與進給超前（qián）的軸平行。

2 、性能優化

使用 Renishaw 的 QC20 球杆（gǎn）儀可以快速準確（què）地檢測出數控車床的（de）各項圓度誤差。電氣參數優化技術可以方便有效地減小其中（zhōng）反向（xiàng）躍衝和（hé）伺服參（cān）數不匹配等誤差項。反向躍衝主要是由摩擦引起的。

數控機床的摩（mó）擦特征在伺服軸（zhóu）低（dī）速時表現出很強的非線性，主要表現在伺服（fú）軸換向時速度過（guò）零，由（yóu）於摩擦的存在，該軸不（bú）能立刻加速，而產生了滯後，這個滯（zhì）後就（jiù）形成了象限點（diǎn）的凸起，如圖 1 所示。

圖1 圓測試曲線

對於西門子係（xì）統，可以使用摩擦補償功（gōng）能來減小反向躍衝（chōng）。補償原理是換（huàn）向時在速度環（huán）上疊加 1 個額外的補償脈衝，以快速渡過換（huàn）向區（qū）域（yù），來補償摩擦力急劇變化而引（yǐn）起的過大輪廓誤差。

3 、應用（yòng）實例

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

、XY 軸垂（chuí）直度（dù）、X 軸反向躍（yuè）衝分別占比 13%、12%、9%。

圖 2 圓運動（dòng）軌跡（jì）檢測結果

以上分析（xī）可以看出 X、Y 軸（zhóu）的位置度（dù）對圓精度影響也較大，激光幹涉儀可以對位置精度進行測量，並通過數控程（chéng）序（xù）進行補（bǔ）償。

本文采用雷尼紹 XL-80 對加（jiā）工中心進（jìn）行定位精（jīng）度和重複定位（wèi）精度測（cè）量，得到（dào）定位精（jīng）度和重複定位精度如圖 3 所示。

圖 3 定位精度測量曲線

根（gēn）據軟件分析結果，對加工中心的上（shàng）述（shù）要素進行調整後，再次對 XY 軸圓運動軌跡進行測試，測試結果如圖 4 所示。從兩圖的對比可以看（kàn）出，該加工中心 XY 軸圓軌（guǐ）跡運動特性得到明顯（xiǎn）改善。

圖 4 圓運動軌（guǐ）跡測試結果（guǒ）

4 、小結

本文通（tōng）過使（shǐ）用無線球杆儀對加工中心（xīn）圓精度進行檢測，根據軟件分析結果進行相應調整，同時針對位置精度通（tōng）過激光幹涉儀進行（háng）測量和改進，綜合以上（shàng）措施使加工中心圓精度（dù）能得到較（jiào）大（dà）提（tí）高。證明了球杆儀及其軟件分析，配（pèi）合激光幹涉儀能夠有效提升加工中心動（dòng）態性能。

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