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某（mǒu）臥式數控車床圓（yuán）軌跡精度測試與分析

2020-5-25 來源：沈陽機床股份有限公司作者：譚智馬曉（xiǎo）波（bō），曹鐸

摘要（yào） ：本文首先分析了球杆儀測（cè）試的（de）基本原理，後以臥式數控車床為例，梳理了數控車（chē）床圓軌跡精度測試流程，並測量了該臥式數控車床的圓軌跡精（jīng）度，並對各誤差項在圓度誤差中的占比進行了（le）分析。通過整個測試及優化流程，證明了該測試流程、誤差識別方法省時高效。

關鍵詞 ：球杆儀；測試流程；圓軌跡測試

目前隨著數控機床製造技術的突飛猛（měng）發展，數控機床市（shì）場的需求量及技術要求也隨之越來越高（gāo）；如何能（néng）在提高（gāo）生產效率的同時，最大（dà）限度地降低（dī）製（zhì）造成（chéng）本、縮（suō）短交貨周期、並且保證機床的精度，因此急需先進的檢測設備及精度優化的流程手段[1]。在影響機床加（jiā）工精度的因（yīn）素中，起支配作用的（de）是運動精度。了解掌握（wò）機床的運動精度對於精密加工而言不可或（huò）缺。如果構成機床設備的各零部件的尺寸、形狀精度低，則機床的運動精度差。另外，安裝與調整控製係統等對（duì）機床（chuáng）運動精度也（yě）有影響（xiǎng）[2]。本文將以球杆儀這一高（gāo）效、便捷的測量儀器來對某臥式數控車床進（jìn）行圓軌跡精度測試與分析。

1、球杆儀誤差測量原理（lǐ）

1.1 球（qiú）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（tōng）信模塊 4. 中（zhōng）心球（固定）5. 開

關和電池蓋 6. 球杆儀傳感器 7. 序列號（底部）8. 蓋環

英國（guó） Renishaw 公司生產的 QC20 球杆儀是一種快速檢測機床性能的精密儀器，具（jù）體的構造如圖 1 所示，球杆儀的傳（chuán）感器（qì）是（shì）球杆儀係統的主要（yào）部件，是（shì）一個精密的線性傳感器，能夠精確測出在（zài）球杆標稱 (100 mm) 長度 ±1 mm 行程內的伸縮量。此傳感器可提供電子信號，這些信號經處理後與計（jì）算機無線（xiàn）通訊。這允許 Ballbar 20 軟件對傳感器名義長度（dù）上的微小變（biàn）化進行測量和分析。

1.2 球杆儀的測試原理

用球杆儀進行誤差測量（liàng），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坐標，當機床運動到目（mù）標位置 P(x,z) 時，設機床的（de）實際位（wèi）置為P'(x',z')。則機（jī）床的空間誤差可用這兩個坐標表（biǎo）示如下：

式（4）表示點 P 處的定位和球杆儀半徑誤差的關係。該式是球杆儀測（cè）量裝置的（de）基本方程式（shì），反映了測量結果（guǒ）與（yǔ）誤差矢量之間的（de）關係。測量所有的 ∆R，做出圓度誤差曲線，可以綜合反映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）進行球杆儀（yí）圓（yuán）弧插補測試的總體測試流程如圖 2。

①先預熱機床：使（shǐ）機床以測試速度運行半個小時，讓機床進行充分的潤滑與熱機；②再確定（dìng）測試半徑：按照測試需求及機床行程選擇（zé）測（cè）量半徑；③對程（chéng）序進（jìn）行預運行：按照（zhào）選（xuǎn）定的半徑、速度進行程序預運行，確保（bǎo）測試程序沒有（yǒu）問題；④確保球杆儀連接：連接球杆儀，包括電源、傳（chuán）感器、球座，將球杆儀鏈接到（dào）機床（chuáng），準備（bèi）進行（háng）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（duì）測量結果進行診斷，明（míng）確各軸的位置（zhì）誤（wù）差，角度誤差，直線度，垂直度，以（yǐ）及比例誤差，周期誤（wù）差等誤差項的排序。⑦參數（shù）優化：在數據診斷的基礎上（shàng），進行係（xì）統參數優化；⑧結果驗證：在優化後對再次執行測試，如（rú）測試結（jié）果不理（lǐ）想，再（zài）次執行參數優化步驟以獲得更好的優化效果。

圖 2 測試流（liú）程圖

分別以 500mm/min、1500mm/min、3000mm/min

進給速（sù）度，100mm 為半徑在 XZ 麵內進行（háng）圓軌（guǐ）跡測試，獲得

圓度軌跡誤差值。

3、測試結論

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

表 1 誤（wù）差（chà）及診斷表格單（dān）位：um

圖 3 測試結果

該台臥式車（chē）床經測（cè）試，Z 方向的周期誤差、X 方向的（de）反向躍衝（chōng）、Z 方向的反（fǎn）向間隙（xì）是誤差占比最高的三項。利用球（qiú）杆（gǎn）儀對數控機床的幾何誤差進（jìn）行（háng）檢測是（shì）一種效率高操作簡（jiǎn）單而且測量結果具有較（jiào）高（gāo）可信度的實用方法，同時還可以通過故障診斷數據對數控係統進行優化，找（zhǎo）出（chū）故障問題，可以顯著提高數控機床的圓弧插補精度（dù）。

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