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數控機床圓（yuán）精（jīng）度及補償技術研究

2019-5-5 來源：馬鞍山機床及刃模（mó）具產品質量監督（dū）檢驗（yàn）中（zhōng）心作者：蔣昌虎，劉鯤，陳立貴

摘要（yào）：數控機床誤差的檢測對於提高加工精度具有重要（yào）意義。對現有檢測方法進行分析後（hòu），采用一種基（jī）於 Renishaw QC20-W 球杆儀的圓軌跡測量方法（fǎ），獲得加工中心誤差信息，使用激光幹涉儀通過數控係統對其進（jìn）行誤差補償，提高機床動態性能。

關鍵（jiàn）詞：數控機床；圓檢驗；誤差（chà）分析（xī）

數控機床（chuáng）的精度是其性能的一項重要指（zhǐ）標，是影響工件加工精度的重（chóng）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床用戶共同追求的目標。在影響機床加工（gōng）精度的因素中，起支配作用的是運動精度。如（rú）果存在運動誤差，反映到加工形式上，則會導致加工誤差增大。所以（yǐ），通過檢測了解掌握機床的運動精度對於精密加工而言不可或缺。對於多軸加（jiā）工中心來講，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中心的幾何精度、位置誤（wù）差、重複精度有關的信息，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的信息，包括（kuò）機床爬行、標尺（chǐ）誤差、反（fǎn）向間（jiān）隙、伺服增益不匹配（pèi）和由於伺服響應滯後引（yǐn）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差，數（shù）控機床的各軸垂（chuí）直度（dù）、重複性、間隙、伺服增（zēng）益比例匹配、伺服性能和絲（sī）杠周期性誤差等（děng）參數指標都（dōu）能從運動輪（lún）廓的（de）半（bàn）徑中反映出來。

這裏（lǐ）將（jiāng）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（dìng）不同的球杆儀檢測模（mó）式，並通過模擬方式，得到（dào）各誤差因素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（guǒ）提出（chū）預測。

在 ZX 平麵內，X 軸（zhóu）與 Z 軸配合做插補，使球杆儀完成順時針和逆時針（zhēn）各 360°圓弧數據采集。球杆（gǎn）儀經過 X 軸與 Z 軸誤差敏感（gǎn）方向，因此兩（liǎng）軸誤差均可在檢測軌跡中得到反映。

這種檢（jiǎn）測模式，可反映（yìng） X 導軌和 Z 導（dǎo）軌（guǐ）各自的直線（xiàn）度以及兩軸間（jiān）的垂直度誤差，另外亦可檢測（cè）機床伺（sì）服進給係（xì）統誤差，若兩軸間（jiān）存在伺服不（bú）匹配誤差，則球（qiú）杆儀（yí）軌跡將呈現橢圓特征，且橢圓長軸與進給超前的（de）軸平行。

2 、性能優（yōu）化

使用 Renishaw 的 QC20 球杆儀可以快速（sù）準確地檢測出數控車床的各項圓度誤差。電氣（qì）參數優化技術可以（yǐ）方便有效地減小其中（zhōng）反向躍衝和伺服參數不匹配等誤差項。反向躍（yuè）衝主要是由摩擦引（yǐn）起的。

數控機床（chuáng）的摩擦特征在伺服軸低速時表現出很強的非線性，主要表現（xiàn）在伺服軸換向時速度過零，由（yóu）於摩擦的存在，該軸不能立刻加速，而產生了滯後，這個滯後就形成了象限點的凸起，如圖 1 所示（shì）。

圖1 圓測試曲線

對於西門（mén）子係統，可以使（shǐ）用摩擦補償功能來減小（xiǎo）反向躍衝。補償原理是換（huàn）向時在速度環上（shàng）疊加 1 個額外的補償脈衝，以快速渡過換向區域，來補償摩（mó）擦（cā）力急劇變化而引起的過大輪廓誤（wù）差。

3 、應（yīng）用實例

使（shǐ）用（yòng）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。軟件誤差分析結果為：X、Y 軸的位置度、Y軸直線度

、XY 軸垂直（zhí）度、X 軸反（fǎn）向躍衝分別占比 13%、12%、9%。

圖 2 圓運動軌跡檢測結果

以上分析可以看出 X、Y 軸的位置度對圓（yuán）精度影響也較（jiào）大（dà），激光幹涉儀可以（yǐ）對位置精度進行測量，並通過數控程（chéng）序進行補償。

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

圖 3 定（dìng）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，再次（cì）對（duì） XY 軸圓（yuán）運動軌跡進行測試，測試結果如圖 4 所示。從兩圖的（de）對比可以看出，該加（jiā）工中心 XY 軸圓（yuán）軌跡運動特性得到（dào）明顯改善。

圖 4 圓運動軌跡（jì）測試結果（guǒ）

4 、小結

本文通過使用無線球杆儀對加工中心圓精度進行檢測，根據軟件分析結果進行相應調整，同時針對位置精度通（tōng）過激光幹涉儀進行測量和（hé）改進，綜合以上措施使加（jiā）工中心圓精度能得到較大（dà）提高。證明了球杆儀及其軟件分（fèn）析，配（pèi）合激（jī）光幹涉儀能夠有效提升加（jiā）工中心動態性能。

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