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某臥（wò）式數控車床圓軌跡精度測試與分（fèn）析

2020-5-25 來源：沈陽機床股份有限公司作者：譚智馬曉波，曹鐸

摘要：本文首先分析了球杆儀（yí）測試的基本原理，後（hòu）以臥式數控車床為例，梳（shū）理了數控車（chē）床圓軌跡精度測試流程，並測（cè）量了該臥式（shì）數控車床的圓軌跡精度，並（bìng）對各誤差項在圓度誤差中的占比進行了分析。通過整個測試及優化流程，證明了該測試流（liú）程、誤差識別方法省時高效。

關鍵（jiàn）詞 ：球杆儀；測（cè）試流程；圓軌跡測試

目（mù）前（qián）隨著數控機（jī）床製造技術的突飛猛發展，數控機床市場的需求量及技（jì）術要求也隨之越來越高；如何能在提高生產效率的同時，最大限度地降低製造成本、縮短交貨（huò）周（zhōu）期、並且保證機床的精度，因（yīn）此急需先進的檢測設備及精度優化的流程手（shǒu）段[1]。在影（yǐng）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加工而言不可或缺。如果構成機床設備的各（gè）零部件的尺寸、形狀（zhuàng）精度低，則機床（chuáng）的運動精度差。另外，安裝與（yǔ）調整控製係統等對機床運動精度也有影響[2]。本文將以球（qiú）杆（gǎn）儀這一高效、便捷的測（cè）量儀器來對某臥式數控車床進（jìn）行（háng）圓（yuán）軌跡精度測試與分析。

1、球杆儀誤差測量（liàng）原理

1.1 球杆儀結構簡述

圖 1 球杆儀構造圖

1. 傳（chuán）感器球 2.LED 狀態指示燈 3. 無線電通信模塊 4. 中心球（qiú）（固定）5. 開（kāi）

關和電（diàn）池蓋 6. 球杆儀傳感器 7. 序列（liè）號（hào）（底部）8. 蓋環

英國 Renishaw 公（gōng）司生產的 QC20 球杆儀是一種快速檢測機床性能的精密儀器，具體（tǐ）的構造如圖（tú） 1 所示，球杆儀的傳感器是球杆儀（yí）係統（tǒng）的主要（yào）部件，是一個精密的線性傳感器，能夠精確測出在球杆標稱 (100 mm) 長度 ±1 mm 行程內的伸縮量。此傳（chuán）感器可提供電子信號，這些信號經處理後與計算機無線通訊。這（zhè）允許 Ballbar 20 軟件對傳感器名義長度上的微小變化進行測量和分析。

1.2 球杆儀的測試原理

用球杆（gǎn）儀進行誤差測（cè）量，設坐標係的原點 O(0,0) 為車床主軸軸杆上球座的中（zhōng）心，P(x,z) 為刀架臂球心的名義（yì）坐標，當機床運動到目標位置 P(x,z) 時，設機（jī）床的（de）實際位置為（wéi）P'(x',z')。則機床的空間誤差可用這兩個坐標表示如下：

式（4）表示點 P 處的定位和球杆儀半徑誤差的關係。該式是球杆（gǎn）儀測量裝置的基本方程式，反映了測量結果與誤差（chà）矢量之間的關係。測量所有的 ∆R，做出圓度誤差曲線，可以綜合反映（yìng）出機床部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（háng）球杆儀圓弧插補測試的總體測試流程如（rú）圖 2。

①先預熱機床：使機床以測試速度運行半個小（xiǎo）時，讓機床進行充分的潤（rùn）滑與熱機；②再確定測試半徑：按（àn）照測試需求及機床行程選擇測（cè）量半徑；③對程序進行（háng）預運行：按照選（xuǎn）定的半徑、速度進行程（chéng）序預運行，確保測試程序沒有問題；④確保球杆儀連接：連接球杆儀，包括電源、傳感器、球（qiú）座，將球杆儀鏈接（jiē）到機床，準備進行實驗；⑤執行測試：在測試程序通過預運行後，開始執行測試；⑥數據診斷：對測量（liàng）結果進行診斷，明確各軸的位置誤差，角度（dù）誤差，直線（xiàn）度，垂（chuí）直度，以（yǐ）及比例誤差，周（zhōu）期誤差等誤差項的排序。⑦參數優化：在數據（jù）診斷的基礎上，進行係統參數優化；⑧結果驗（yàn）證：在優化後對（duì）再次執行測（cè）試，如測試結果不理想，再次執行參（cān）數優化步驟以獲得更好的優化效果。

圖 2 測試流程圖（tú）

分別以 500mm/min、1500mm/min、3000mm/min

進給速度，100mm 為半徑（jìng）在 XZ 麵內進行（háng）圓軌跡測試，獲得

圓度軌（guǐ）跡誤差值。

3、測試結論

以下為 3000mm/min 進給（gěi）速度的測試結果，經測（cè）試圓度為 9.5um。

表 1 誤差及診斷表格（gé）單（dān）位（wèi）：um

圖 3 測試結果

該台臥式車床經測試，Z 方向的周期誤差、X 方向的反向（xiàng）躍衝、Z 方（fāng）向的反向間隙是誤差占比最高的三項。利（lì）用球杆（gǎn）儀對數（shù）控（kòng）機床的幾何誤差進行檢（jiǎn）測是一種效率高操作簡單而且測量結果具有較高可信度的實（shí）用方法，同時還可以通（tōng）過故障（zhàng）診斷數據對數控係統進行優化，找出故障問題，可（kě）以顯著提（tí）高數（shù）控機床（chuáng）的圓弧插（chā）補精度。

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