宋淑紅

[摘要]數(shù)控機(jī)床作為新一代工作母機(jī)，在機(jī)械制造中已得到廣泛的應(yīng)用，精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷提高，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度也提出更高的要求。首先介紹數(shù)控機(jī)床定位誤差的來(lái)源，然后介紹數(shù)控機(jī)床定位誤差的檢測(cè)方法，最后作定位誤差檢測(cè)需求分析，即快速性，經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性以及對(duì)環(huán)境的要求不高。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機(jī)床誤差檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)1010141-01

數(shù)控機(jī)床的定位精度是指機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)的控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的實(shí)際位置的精度，它與機(jī)床的幾何誤差一道對(duì)機(jī)床的加工精度產(chǎn)生重要的影響。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定”(GB／T 17421.2-2000)規(guī)定，數(shù)控坐標(biāo)軸定位精度的評(píng)定項(xiàng)目有以下三項(xiàng)：軸線的重復(fù)定位精度R、軸線的定位精度A和軸線的反向差值B。定位精度的高低用定位誤差的大小進(jìn)行衡量。

一、數(shù)控機(jī)床的定位誤差來(lái)源

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸是靠數(shù)控系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)或者伺服驅(qū)動(dòng)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)滑塊的軸向定位的。產(chǎn)生定位誤差主要誤差源有：

(一)組成環(huán)節(jié)的誤差。包括；1，機(jī)床的原始制造、裝配缺陷等造成的機(jī)床幾何誤差，比如設(shè)計(jì)誤差、裝配誤差、組成的零部件誤差以及零部件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差等。2，機(jī)床的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，比如機(jī)床軸系的伺服誤差(輪廓跟隨誤差)，數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)算法誤差，機(jī)床檢測(cè)系統(tǒng)受溫度、濕度和塵埃的影響而產(chǎn)生的測(cè)試誤差等。

(二)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差。包括：1，切削力引起的誤差，包括切削力負(fù)荷加載時(shí)機(jī)床變形引起的誤差，刀具和機(jī)床零部件加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱變形引起的誤差的等。2，機(jī)床的振動(dòng)誤差，在切削加工時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)有可能落入不穩(wěn)定區(qū)域，從而激起強(qiáng)烈的顫振誤差。3，外界干擾誤差，由于環(huán)境的變動(dòng)，比如溫度、鄰近振動(dòng)、電壓波動(dòng)、空氣濕度等，和運(yùn)行工況的變化引起的隨機(jī)誤差等。

(三)動(dòng)態(tài)形變的誤差。包括：1，由于機(jī)床的內(nèi)部熱源和外部熱源的作用導(dǎo)致的機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形而產(chǎn)生的誤差，內(nèi)部熱源包括驅(qū)動(dòng)、軸承摩擦、導(dǎo)軌摩擦等，外部熱源包括室溫，熱輻射和空氣對(duì)流等。2，機(jī)床受力引起的機(jī)床幾何形狀變形誤差，包括工件和夾具重力、裝夾力等。分析定位誤差的誤差來(lái)源后，可以通過(guò)以下兩種方法來(lái)減小機(jī)床定位誤差：誤差防止法和誤差補(bǔ)償法。誤差防止法是通過(guò)設(shè)計(jì)和制造途徑消除或減少系統(tǒng)外的誤差源影響，并采用嚴(yán)格的溫度控制、隔震措施、氣流擾動(dòng)及環(huán)境狀態(tài)的控制以消除或減少系統(tǒng)外的誤差源影響。誤差補(bǔ)償是通過(guò)檢定機(jī)床各種誤差或分析誤差成因，依據(jù)檢定結(jié)果及誤差模型對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚齺?lái)提高機(jī)床精度，其實(shí)是人為的造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前的原始誤差，以達(dá)到減少加土誤差，提高零件的加工精度的目的。誤差補(bǔ)償?shù)那疤崾且獪?zhǔn)確檢測(cè)定位誤差，往往更關(guān)注這些誤差源作用的最終結(jié)果，即末端誤差的數(shù)值。

二、定位誤差檢測(cè)方法

(一)激光干涉儀的定位誤差測(cè)量法。使用雙頻激光干涉儀的長(zhǎng)度測(cè)量功能即可檢定機(jī)床的定位誤差。激光干涉儀由兩個(gè)具有不同頻率的圓偏振光作為光源，發(fā)射光經(jīng)偏振分光鏡向兩個(gè)正交方向分離。當(dāng)測(cè)量反射鏡移動(dòng)時(shí)，返回光產(chǎn)生多普勒頻移量，其包含了測(cè)量反射鏡的位移信息。在測(cè)量精度要求較高時(shí)，需要考慮溫度影響和安裝誤差，尤其是在垂直坐標(biāo)時(shí)，空氣和機(jī)床溫度都存在明顯的變動(dòng)，這給測(cè)量帶來(lái)很大困難。為解決此問(wèn)題，可在20℃下長(zhǎng)時(shí)間等溫，使空氣及機(jī)床溫度均勻相等。激光干涉儀由于測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，普遍用于數(shù)控機(jī)床誤差的標(biāo)定，但是激光干涉儀價(jià)格昂貴，需要專業(yè)的技術(shù)人員，調(diào)整光路困難，測(cè)量一根軸需要3個(gè)小時(shí)，測(cè)量效率低。

(二)精密線紋尺的定位誤差測(cè)量法。以精密線紋尺的刻線為標(biāo)準(zhǔn)，與運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)的距離作比較，求出被測(cè)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸上各被測(cè)點(diǎn)的定位誤差(位置偏差)。測(cè)量方法如下：遵循阿貝原則將線紋尺安放在機(jī)床的工作臺(tái)上，反復(fù)調(diào)整線紋尺，使之與被測(cè)坐標(biāo)的軸線方向一致，將讀數(shù)顯微鏡固定在移動(dòng)部件上，當(dāng)數(shù)控機(jī)床沿被測(cè)坐標(biāo)軸的軸線方向上作直線移動(dòng)到目標(biāo)位置逐次定位，通過(guò)讀數(shù)顯微鏡從精密線紋尺精確讀出該目標(biāo)位置的讀數(shù)值，數(shù)據(jù)處理后獲得機(jī)床的定位誤差。該方法解決了任意點(diǎn)直線位置精度的測(cè)量，但測(cè)量范圍受線紋尺規(guī)格及安裝限制，測(cè)量范圍小，雖然可采用接長(zhǎng)法擴(kuò)大測(cè)量范圍，但會(huì)引入新的測(cè)量誤差，使測(cè)量精度和效率大大下降，同時(shí)該方法對(duì)每一點(diǎn)偏差都要進(jìn)行方向判別和繁雜的計(jì)算，極易帶入粗大誤差。一般用于較低精度、較小范圍的定位誤差的測(cè)量場(chǎng)合。

(三)光柵尺的定位誤差測(cè)量法。光柵尺是由光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電元件組成的。指示光柵和標(biāo)尺光柵都是由窄的矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成，線紋相交產(chǎn)生莫爾條紋。指示光柵和標(biāo)尺光柵相對(duì)移動(dòng)的柵距與莫爾條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)成正比，以此測(cè)量機(jī)床位移量。

三、定位誤差檢測(cè)需求

(一)應(yīng)用場(chǎng)合

1，中、低檔經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床大批量生產(chǎn)出廠的精度標(biāo)定。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，同時(shí)個(gè)性化的需求使產(chǎn)品更新?lián)Q代變快，相應(yīng)的要求加工設(shè)各更精密，并且具有柔性化，而數(shù)控機(jī)床恰好滿足這些要求。由于數(shù)控機(jī)床適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需要，其需求量也逐年增大，特別是中、低檔的普及型數(shù)控機(jī)床。

2，機(jī)床用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精度維護(hù)時(shí)的標(biāo)定。數(shù)控機(jī)床在使用一段時(shí)間后，其精度會(huì)逐漸降低，有必要對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行重新標(biāo)定。這些工作通常由機(jī)床用戶來(lái)完成，一般情況下，半年要標(biāo)定一次，工作量大，且標(biāo)定成本高。本裝置能有效提高標(biāo)定效率，降低標(biāo)定成本。

3，教學(xué)培訓(xùn)用精度標(biāo)定和誤差檢測(cè)試驗(yàn)。數(shù)控機(jī)床的智能化、柔性化滿足了企業(yè)的需求，同時(shí)也要求培養(yǎng)一大批懂?dāng)?shù)控機(jī)床操作和維修的技術(shù)工人。在當(dāng)前的職業(yè)教育中，由于誤差標(biāo)定裝置價(jià)格昂貴，很多學(xué)校不能開(kāi)設(shè)與此相關(guān)的學(xué)習(xí)課程，而本套裝置試驗(yàn)過(guò)程與其它的標(biāo)定儀器基本相似，可用于數(shù)控機(jī)床的誤差檢測(cè)試驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生這方面的技能，為社會(huì)輸送合格的人才。

(二)相適應(yīng)的要求

1，快速性。試驗(yàn)證明，用此套系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)床定位誤差檢測(cè)，每軸測(cè)量時(shí)間僅為1h(包括安裝調(diào)整時(shí)間)，那么對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的精度標(biāo)定大概需要半天時(shí)間。相對(duì)于激光干涉儀，效率上，這套系統(tǒng)提高了近三倍。

2，經(jīng)濟(jì)性。從人力成本上來(lái)講，一個(gè)人操作就可完成，操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作者要求低，不需要專門(mén)對(duì)人員進(jìn)行培訓(xùn)；從經(jīng)濟(jì)成本上講，價(jià)格低，同時(shí)維護(hù)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低。

3，適應(yīng)性。我國(guó)大量生產(chǎn)和服役的是中、低檔經(jīng)濟(jì)型的普及型數(shù)控機(jī)床，對(duì)這些機(jī)床的精度標(biāo)定，不需要使用精度很高的激光干涉儀，適應(yīng)我國(guó)目前的國(guó)情需要，同時(shí)這套裝置對(duì)環(huán)境要求不高，適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)誤差標(biāo)定的需要。