基于球桿儀的立式加工中心精度評(píng)測(cè)及優(yōu)化
隨著機(jī)床制造技術(shù)突飛猛進(jìn) 地發(fā)展，精工機(jī)床市場(chǎng)需求量及 技術(shù)要求隨之日益提高。同時(shí)， 伴隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，要求 能在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，****** 限度地降低制造成本、縮短交貨 周期，并且保證機(jī)床的精度，因 此急需先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備及精度優(yōu) 化的流程手段。在影響機(jī)床加工精度的因素 中，起支配作用的是運(yùn)動(dòng)精度。 如果機(jī)床存在運(yùn)動(dòng)誤差，復(fù)映到 加工形式上，則會(huì)導(dǎo)致加工誤差 增大。所以，了解掌握機(jī)床的運(yùn) 動(dòng)精度對(duì)于精密加工而言不可或 缺。如果構(gòu)成機(jī)床設(shè)備的各零部 件尺寸、形狀精度低，則機(jī)床的 運(yùn)動(dòng)精度差。另外，安裝與調(diào)整 控制系統(tǒng)等對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度也有 影響。作為國(guó)家科技重大專項(xiàng) “高速/復(fù)合精工機(jī)床及關(guān)鍵技 術(shù)創(chuàng)新能力平臺(tái)”（項(xiàng)目編號(hào) 2011ZX04016-021)資助項(xiàng)目，本文以球桿儀這一高效、便捷的 測(cè)量?jī)x器建立立式加工中心精度 評(píng)價(jià)及優(yōu)化流程，并在某立式加 工中心上進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。球桿儀誤差測(cè)量原理1. 球桿儀結(jié)構(gòu)由雷尼紹（Renishaw)公司 生產(chǎn)的QC20球桿儀是一種快速檢 測(cè)機(jī)床性能的精密儀器，具體構(gòu) 造如圖1所示。球桿儀傳感器是球桿儀系統(tǒng)的主要部件。它是一個(gè)精密線性 傳感器，能精確測(cè)出在球桿標(biāo)稱 100mm、長(zhǎng)度±1mm行程內(nèi)的 伸縮量。此傳感器可提供電子信 號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)處理后與計(jì)算機(jī) 無(wú)線通信。這允許Ballbar 20軟件 對(duì)傳感器名義長(zhǎng)度上的微小變化 進(jìn)行測(cè)量和分析。2. 球桿儀測(cè)試原理用球桿儀進(jìn)行誤差測(cè)量，設(shè) 坐標(biāo)系的原點(diǎn)〇(0,0)為車床 主軸軸桿上球座的中心，p（x，z)為刀架臂球心的名義坐標(biāo)， 當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置P (X， z)時(shí)，設(shè)機(jī)床的實(shí)際位置為， (X‘，z‘），則機(jī)床的空間誤 差可用這兩個(gè)坐標(biāo)表示如下： Ax=x，一X， Az=z' —z (1) 式中，Ax、Az為P的位移誤差。 當(dāng)存在誤差A(yù)x、Az時(shí)，有下式 成立：(R + A R) 2 = x'2+z'2 = ( x+ Ax) 2 + (z+Az) 2 (2)這里R為OP的理想距離，忽 略二階以上的高次誤差項(xiàng)，考慮 R2=x2+z2，由式（2)可得AR= (xAx+zAz)/R (3) 由z=Rcos沒、x=Rsin沒可得 AR= Azcosd + Axsind (4) 式（4)表示點(diǎn)P處的定位和 球桿儀半徑誤差的關(guān)系。該式是 球桿儀測(cè)量裝置的基本方程式， 反映了測(cè)量結(jié)果與誤差矢量之間 的關(guān)系。測(cè)量所有的A R，做出 圓度誤差曲線，可以綜合地反映 出機(jī)床部件相互幾何關(guān)系等因 素。基于球桿儀的精工機(jī)床 精度測(cè)試流程1. 基本測(cè)量數(shù)據(jù)球桿儀的基本測(cè)量數(shù)據(jù)如 下。(1) 單方向******圓度偏差 (圓偏差）：各平面的順時(shí)針 (CW)及逆時(shí)針（CCW)方向的運(yùn)動(dòng)誤差軌跡圓度。在GB/T 17421.4第4部分中解釋為包容在 實(shí)際軌跡上的兩個(gè)同心圓（最小 區(qū)域圓）的最小半徑差。(2) 圓度（圓滯后）：各平 面的順時(shí)針及逆時(shí)針方向的綜合 誤差軌跡圓度。在GB/T 17421.4第4部分中解釋為兩實(shí)際軌跡的最 大半徑差，其中一個(gè)軌跡是順時(shí) 針輪廓運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是逆時(shí)針輪 廓運(yùn)動(dòng)。(3) 徑向偏差（半徑偏 差）：實(shí)際軌跡與名義軌跡間的偏差。(4) 單向重復(fù)性：在較短時(shí) 間間隔內(nèi)在待測(cè)平面內(nèi)以順時(shí)針 方向測(cè)量?jī)纱危鶕?jù)兩運(yùn)動(dòng)誤差 軌跡之間的******偏差確定單向重復(fù)性。(5) 雙向重復(fù)性：根據(jù)各測(cè) 試平面的順時(shí)針方向與逆時(shí)針方 向軌跡之間的******偏差確定雙向 重復(fù)性。2. 軟件診斷量利用球桿儀測(cè)試軟件可自 動(dòng)得出診斷值，包括反向間隙、 反向躍沖、橫向間隙、伺服不匹 配、垂直度及直線度等，并且可 以計(jì)算出各誤差所占比重。3. 測(cè)試影響因素分析 影響圓度測(cè)量結(jié)果的主要因素包括圓半徑、軸進(jìn)給速度以及 進(jìn)給軸伺服參數(shù)。另外，在機(jī)床 不同位置的圓度也可能不同。(1) 測(cè)量半徑選擇：球桿儀 通過(guò)小圓組件以及加長(zhǎng)桿的搭配 組合，測(cè)量半徑為50?600mm。 當(dāng)用小半徑測(cè)量時(shí)，由于相同的 進(jìn)給速度線速度相對(duì)大，因此對(duì) 機(jī)床伺服特性的考察效果比較 好；當(dāng)用大半徑測(cè)量時(shí)，由于測(cè) 試范圍較大，可以更好地評(píng)價(jià)機(jī) 床的幾何精度，但如果測(cè)量半徑 很大，球桿在自重的作用下會(huì)發(fā) 生彎曲，測(cè)量精度降低。(2) 進(jìn)給速度選擇：為了兼 顧高速和低速，便于對(duì)比，通常選擇500mm/min、1000mm/min、1500mm/min、 2000mm/min、3000mm/min—種或幾種不同速 度下進(jìn)行圓測(cè)試。(3) 伺服參數(shù)的調(diào)整：當(dāng) 圓度測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大的換向跳 動(dòng)、爬行以及橢圓等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng) 根據(jù)測(cè)試所得的數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)伺 服軸的速度環(huán)增益、動(dòng)態(tài)匹配參 數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，以獲得更好的圓 度數(shù)據(jù)，必要時(shí)需反復(fù)調(diào)整和測(cè) 試多次。4. 測(cè)試流程針對(duì)精工機(jī)床進(jìn)行球桿儀圓 弧插補(bǔ)測(cè)試的總體測(cè)試流程如圖 2所示。(1) 預(yù)熱機(jī)床：使機(jī)床以 測(cè)試速度運(yùn)行半個(gè)小時(shí)，讓機(jī)床 進(jìn)行充分的潤(rùn)滑與熱機(jī)。(2) 確定測(cè)試半徑：按照 測(cè)試需求及機(jī)床行程選擇測(cè)量半 徑。(3) 程序預(yù)運(yùn)行：按照選定的半徑、速度進(jìn)行程序預(yù)運(yùn) 行，確保測(cè)試程序沒有問(wèn)題。(1) 球桿儀連接：連接球桿 儀，包括電源、傳感器和球座， 將球桿儀連接到機(jī)床，準(zhǔn)備進(jìn)行 試驗(yàn)。(2) 執(zhí)行測(cè)試：在測(cè)試程序 通過(guò)預(yù)運(yùn)行后，開始執(zhí)行測(cè)試。(3) 數(shù)據(jù)診斷：對(duì)測(cè)量結(jié) 果進(jìn)行診斷，明確各軸的位置誤 差、角度誤差、直線度、垂直度 以及比例誤差、周期誤差等誤差 項(xiàng)的排序。(4) 參數(shù)優(yōu)化：在數(shù)據(jù)診斷 的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。(5) 結(jié)果驗(yàn)證：在優(yōu)化后 再次執(zhí)行測(cè)試，如測(cè)試結(jié)果不理 想，再次執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化步驟以獲 得更好的優(yōu)化效果。應(yīng)用實(shí)例1. 測(cè)試過(guò)程以某存在聯(lián)動(dòng)精度故障的立 式加工中心為例，對(duì)測(cè)試及優(yōu)化 過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，分別在工作臺(tái)不 同的5個(gè)位置對(duì)平面 內(nèi)圓軌跡運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn) 給速度選擇為1 500mm/min，通 過(guò)測(cè)量結(jié)果可以形成對(duì)該加工中 心空間場(chǎng)的精度評(píng)價(jià)。在測(cè)試點(diǎn)1的時(shí)候先對(duì)優(yōu)化前 的精度數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，而后各點(diǎn) 測(cè)量值都為優(yōu)化后的精度值。測(cè) 試點(diǎn)的布置及測(cè)試過(guò)程如圖3、圖 4所示。2. 測(cè)試結(jié)論5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖5 和表1所示。1. 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化由球桿儀診斷表可以得到反 向間隙和伺服不匹配為該機(jī)床圓 度測(cè)試的主要誤差。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu) 化方法如下：(1) 根據(jù)三個(gè)平面的圓度誤 差測(cè)試曲線，調(diào)整各伺服軸反向 間隙補(bǔ)償參數(shù)。(2) 根據(jù)三個(gè)平面的圓度 誤差測(cè)試曲線，找出動(dòng)態(tài)響應(yīng)最 慢的伺服軸，之后設(shè)置兩個(gè)伺服 軸的動(dòng)態(tài)匹配時(shí)間參數(shù)，使這兩 個(gè)伺服軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)均與動(dòng)態(tài)響 應(yīng)最慢的伺服軸相匹配，從而實(shí) 現(xiàn)三個(gè)伺服軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)均匹配， 這樣可以同時(shí)對(duì)三個(gè)平面的圓測(cè) 試曲線中伺服不匹配現(xiàn)象進(jìn)行改 善。2. 優(yōu)化后的測(cè)試數(shù)據(jù)位置點(diǎn)1在優(yōu)化前后球度及 各平面圓度（圓滯后）如圖6和 表2所示。可以看出優(yōu)化前整體 球度為90.1^m，經(jīng)過(guò)伺服參數(shù)優(yōu) 化調(diào)整為49.6 pm，面圓度由 90.0 pm降低為49.6 pm，ZX面圓 度由70.2 pm降低為45.5 pm。針對(duì)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)優(yōu)化后各點(diǎn)的 表2位置點(diǎn)1球度及各面圓度平均 值優(yōu)化前后對(duì)比 (單位： pm) 測(cè)試項(xiàng)目 優(yōu)化前 優(yōu)化后 球度 90.1 49.6 X7平面圓測(cè)試圓度誤差 90.0 49.6 ZZ平面圓測(cè)試圓度誤差 37.5 39.6 7Z平面圓測(cè)試圓度誤差 70.2 45.5 球度、平面圓度如圖7所示。從測(cè) 試結(jié)果總體來(lái)看，整體球度最不 好的點(diǎn)為2號(hào)點(diǎn)，即工作臺(tái)的左上 角位置；4號(hào)位置其次；最好的點(diǎn) 為3號(hào)點(diǎn)和1號(hào)點(diǎn)。因此在加工空 間中，3號(hào)點(diǎn)和1號(hào)點(diǎn)附近為加工 適宜區(qū)域，在實(shí)際加工中應(yīng)優(yōu)先 選擇。對(duì)優(yōu)化后的圓度偏差圖形結(jié) 果和球桿儀診斷表進(jìn)行分析，通 過(guò)調(diào)整精工系統(tǒng)反向間隙補(bǔ)償參 數(shù)的設(shè)置，補(bǔ)償了機(jī)床中存在的 反向間隙；通過(guò)調(diào)整精工系統(tǒng)位 置環(huán)增益的設(shè)置，改善了各軸伺 服不匹配的情況，使該機(jī)床的圓 弧插補(bǔ)精度有所提升。結(jié)語(yǔ)利用球桿儀對(duì)精工機(jī)床的幾 何誤差進(jìn)行檢測(cè)是一種效率高、 操作簡(jiǎn)單而且測(cè)量結(jié)果具有較高 可信度的實(shí)用方法，同時(shí)還可以 通過(guò)故障診斷數(shù)據(jù)對(duì)精工系統(tǒng)進(jìn) 行優(yōu)化，可顯著提高精工機(jī)床的 圓弧插補(bǔ)精度。球桿儀測(cè)試系統(tǒng)可以用于數(shù) 控機(jī)床開發(fā)使用的各階段，包括 設(shè)計(jì)開發(fā)階段樣機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷的早 期發(fā)現(xiàn)與排除、機(jī)床出售階段的 最終調(diào)試與精度檢驗(yàn)，以及定期 檢查階段的精度維護(hù)。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！