仇 健，張 凱，李 鑫，葛任鵬

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司高檔數(shù)控機(jī)床國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110142)

0 前言

數(shù)控機(jī)床的定位精度是機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的位置精度，定位精度會(huì)對機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要影響［1］。數(shù)控機(jī)床的定位精度一般使用激光干涉儀進(jìn)行測量。激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。通常在機(jī)床精度檢測中使用的為雙頻激光干涉儀，它可以在車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對幾十米的大量程進(jìn)行精密測量，也可以對微小精密機(jī)床測量，既可以對長度、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等幾何量進(jìn)行測量，也可以用于微定位和間距的測量。具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量測速高等特點(diǎn)。

依據(jù)文獻(xiàn)［2］和［3］對激光干涉儀的測量原理和應(yīng)用激光干涉儀對機(jī)床進(jìn)行精度測試要求嚴(yán)格地進(jìn)行試驗(yàn)的測試，并依據(jù)文獻(xiàn)［4］GB17421.2-2000標(biāo)準(zhǔn)，通過直接測量機(jī)床的單獨(dú)軸線來檢驗(yàn)和評定數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。

1 國內(nèi)外對標(biāo)機(jī)床的選定和試驗(yàn)

為了了解和掌握適用于航空結(jié)構(gòu)件加工的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與進(jìn)口產(chǎn)品的真實(shí)差距，選取國內(nèi)某飛機(jī)制造廠和機(jī)床生產(chǎn)廠現(xiàn)役代表機(jī)床進(jìn)行精度檢測。對標(biāo)對象選擇需見過機(jī)床的坐標(biāo)形式、進(jìn)給軸和主軸類型、機(jī)床性能參數(shù)、適用加工范圍和加工零件材質(zhì)等。經(jīng)評定，兩臺(tái)機(jī)床都采用X和Y聯(lián)動(dòng)的十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)作為工作臺(tái)基礎(chǔ)，工作臺(tái)承重相同，主軸隨機(jī)床Z軸上下移動(dòng)。兩臺(tái)機(jī)床的導(dǎo)軌和絲杠形式相同，工作行程和工作臺(tái)范圍相近。主軸都采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，最高轉(zhuǎn)速相近，有效工作轉(zhuǎn)速相當(dāng)，主軸錐孔和主軸最大功率相近。兩臺(tái)機(jī)床的基本參數(shù)如表1所示。

表1 國內(nèi)外機(jī)床基本參數(shù)對比

進(jìn)口機(jī)床測試：X軸直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的重復(fù)定位精度檢測是在各個(gè)坐標(biāo)方向的全行程內(nèi)，每隔200mm選取一個(gè)目標(biāo)位置點(diǎn)，全程設(shè)置9個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，累計(jì)行程0～1600mm。以這些點(diǎn)作為目標(biāo)位置，正、負(fù)兩個(gè)方向向其進(jìn)行5次定位。測出每次定位時(shí)實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置的位置偏差，并按 ISO230-2［5］、ASME B5.54［6］和 GB 17421.2-2000［4］規(guī)定的方法計(jì)算出雙向位置偏差、平均位置偏差、反向偏差、定位標(biāo)準(zhǔn)不確定度等誤差項(xiàng)，并進(jìn)一步獲得重復(fù)定位精度、定位系統(tǒng)偏差和定位精度。同樣，對于Y軸，全程設(shè)置11個(gè)位置點(diǎn)，間隔50mm，重復(fù)測試5次，累計(jì)行程0～500mm。對于Z軸，全程設(shè)置7個(gè)位置點(diǎn)，間隔50mm，重復(fù)測試5次，累計(jì)行程0～300mm。

國產(chǎn)機(jī)床測試：X軸，全程設(shè)置11個(gè)位置點(diǎn)，間隔140mm，重復(fù)測試3次，累計(jì)行程0～1400mm。Y軸，全程設(shè)置11個(gè)位置點(diǎn)，間隔70mm，重復(fù)測試3次，累計(jì)行程0～700mm。Z軸，全程設(shè)置11個(gè)位置點(diǎn)，間隔50mm，重復(fù)測試3次，累計(jì)行程0～500mm。將計(jì)算得到的誤差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表2中X、Y、Z軸的各項(xiàng)誤差項(xiàng)。

2 定位精度測試和結(jié)果分析

由表2中進(jìn)口機(jī)床X軸和國產(chǎn)機(jī)床Y軸、Z軸雙向位置誤差可見，兩臺(tái)機(jī)床三個(gè)軸線在幾次正向、反向運(yùn)動(dòng)過程中分別出現(xiàn)位置誤差的突越點(diǎn)，這樣的結(jié)果是很不理想的，進(jìn)口機(jī)床第7個(gè)位置、國產(chǎn)機(jī)床Y軸第1個(gè)位置和Z軸第2個(gè)位置會(huì)限制軸線進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臐摿Α?/p>

圖1為國內(nèi)外同型機(jī)床定位/重復(fù)定位精度的誤差對比分析，其中坐標(biāo)橫軸分別表示軸線的：軸線反向差值B、平均反向差值Bave、正向重復(fù)定位精度Rz、反向重復(fù)定位精度Rf、雙向重復(fù)定位精度R、雙向平均位置偏差M、正向定位系統(tǒng)偏差Ez、反向定位系統(tǒng)偏差Ef、雙向定位系統(tǒng)偏差E、正向定位精度Az、反向定位精度Af、雙向定位精度A等。國產(chǎn)機(jī)床在X軸的雙向定位精度為132.83μm，要遠(yuǎn)大于進(jìn)口機(jī)床的54.66μm，但雙向重復(fù)定位精度55.26μm相比進(jìn)口機(jī)床46.12μm差距不大。對于Y軸，國產(chǎn)機(jī)床雙向定位精度105.43μm相比進(jìn)口機(jī)床40.86μm要大很多，雙向重復(fù)定位精度105.43μm相比進(jìn)口機(jī)床16.76μm差距更明顯。對于 Z軸，國產(chǎn)機(jī)床雙向定位精度41.48μm相比進(jìn)口機(jī)床109.86μm要好很多，雙向重復(fù)定位精度35.25μm相比進(jìn)口機(jī)床38.24μm精度更高。

表2 X、Y、Z軸定位精度和重復(fù)定位精度統(tǒng)計(jì)

圖1 X/Y/Z軸位置誤差統(tǒng)計(jì)和對比

從圖1對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)機(jī)床在X、Y軸向與進(jìn)口機(jī)床差距顯著，但在Z軸的各項(xiàng)位置誤差卻優(yōu)于進(jìn)口機(jī)床。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)機(jī)床在機(jī)床最為重要的重復(fù)定位精度指標(biāo)上X軸與進(jìn)口機(jī)床幾乎相當(dāng)，而Z軸指標(biāo)卻稍優(yōu)于進(jìn)口機(jī)床，只是在Y軸上差距明顯，說明國產(chǎn)機(jī)床在螺距誤差補(bǔ)償后可減小與進(jìn)口機(jī)床的差距，但在個(gè)別軸向的差距確實(shí)需要正視和提高。

3 螺距誤差補(bǔ)償前后對比分析

實(shí)際測試中的螺距誤差補(bǔ)償是在應(yīng)用renishaw激光干涉儀首先測試一個(gè)軸的定位精度，再通過生成誤差補(bǔ)償表，進(jìn)而進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償。其次，在補(bǔ)期更長和步驟相對復(fù)雜。

圖2 補(bǔ)償前后X軸誤差

圖3 國產(chǎn)機(jī)床補(bǔ)償前后誤差對比

以國產(chǎn)立式加工中心X軸的誤差補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析為例，圖2a為補(bǔ)償后的平均位置偏差，相比表1中國產(chǎn)機(jī)床X軸平均位置偏差圖，可見螺距誤差補(bǔ)償可將原本傾斜的軸線糾正，并將雙向位置偏差以軸線零點(diǎn)對稱分布，而圖2b軸線的反向偏差、圖2c定位標(biāo)準(zhǔn)不確定度和圖2d重復(fù)定位精度比較表1中相應(yīng)數(shù)據(jù)不會(huì)因補(bǔ)償而發(fā)生改變，其數(shù)值和分布趨勢補(bǔ)償前后完全相同。

圖3為圖1中國產(chǎn)機(jī)床X/Y/Z軸經(jīng)螺距誤差補(bǔ)償后應(yīng)獲得的理論誤差值。可見螺距誤差補(bǔ)償并不會(huì)改變機(jī)床軸線的重復(fù)定位精度、反向偏差、平均反向差值，而會(huì)直接減小軸線的位置偏差、定位精度。從X軸、Y軸和Z軸的補(bǔ)償數(shù)據(jù)也可進(jìn)一步證實(shí)，重復(fù)定位精度高的軸線其補(bǔ)償后可提升的定位精度更良好。

圖4為國內(nèi)外兩種機(jī)床實(shí)測和補(bǔ)償后的雙向定位精度。可見，進(jìn)口機(jī)床在X和Y兩個(gè)軸線上的雙向定位精度在補(bǔ)償前后都要優(yōu)于國產(chǎn)機(jī)床，國產(chǎn)機(jī)床由于在Y軸線上的第一個(gè)測試點(diǎn)存在明顯的突變，造成其Y軸精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口機(jī)床，而在Z軸雙向定位精度上，未補(bǔ)償時(shí)國產(chǎn)機(jī)床明顯優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，即使兩臺(tái)機(jī)床都做過補(bǔ)償后，國產(chǎn)機(jī)床略優(yōu)于進(jìn)口機(jī)床。另外，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重復(fù)定位精度好的機(jī)床，補(bǔ)償效果明顯。償好第一個(gè)軸的基礎(chǔ)上，對第二個(gè)軸向進(jìn)行定位精度測試，之后對第二個(gè)軸進(jìn)行補(bǔ)償;再次，對第三個(gè)軸應(yīng)用同樣方法進(jìn)行補(bǔ)償。最后，所有軸補(bǔ)償后的機(jī)床進(jìn)行定位精度測試，獲得最終的補(bǔ)償后定位精度。這樣，獲得的機(jī)床定位精度理論上是要優(yōu)于本研究中所采用的補(bǔ)償方案，但是，缺點(diǎn)是補(bǔ)償所需周

圖4 國內(nèi)外機(jī)床補(bǔ)償前后誤差統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)選取兩臺(tái)國內(nèi)外典型鈦合金三坐標(biāo)加工機(jī)床進(jìn)行定位精度等誤差的對比研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口機(jī)床在多數(shù)軸線上的精度水平優(yōu)于國產(chǎn)設(shè)備。

(2)分析了定位精度等誤差的計(jì)算方法，并進(jìn)行各誤差量和計(jì)算指標(biāo)的數(shù)值仿真。計(jì)算得到螺距誤差補(bǔ)償值并進(jìn)行補(bǔ)償仿真，結(jié)果證明誤差補(bǔ)償會(huì)提高機(jī)床的定位精度和位置偏差，但不會(huì)改變機(jī)床軸線的重復(fù)定位精度和反向偏差，并且補(bǔ)償后的軸線定位精度不會(huì)優(yōu)于軸線重復(fù)定位精度。

(3)研究發(fā)現(xiàn)，重復(fù)定位精度高的軸線其補(bǔ)償后可提升的定位精度更良好。進(jìn)口機(jī)床的重復(fù)定位精度等級普遍高于國產(chǎn)機(jī)床，使得進(jìn)口機(jī)床具備更強(qiáng)的補(bǔ)償和精度調(diào)整能力。造成國產(chǎn)機(jī)床與進(jìn)口機(jī)床在定位精度指標(biāo)上存在差距的原因主要是在軸線上存在少數(shù)突越位置，國產(chǎn)機(jī)床軸線一致性較差。

［1］張艷.VB715加工中心位置精度檢測和螺距誤差補(bǔ)償方法［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(24)：107－108.

［2］RENISHAW PLC.RENISHAW HELP［K］.2009.

［3］RENISHAW PLC.激光干涉儀原理及應(yīng)用概述［K］.2008.

［4］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 17421.2-2000機(jī)床檢驗(yàn)通則-第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［5］The International Organization for Standardization.ISO 230-2-2006Test code for machine tools-Part 2：Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes［S］.Geneva：International Standard Organization，2006.

［6］American National Standards Committee.ASME B 5.54-2005 Methods for performance evaluation of computer numerically controlled machining centers［S］.New York：The American Society of Mechanical Engineers，2005.