殷鵬飛 楊 林

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110020）

GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)與誤差補(bǔ)償

殷鵬飛 楊 林

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110020）

針對(duì)六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的定位精度的準(zhǔn)確性，介紹英國(guó)雷尼紹（RENISHAW）XL-80型號(hào)激光干涉儀對(duì)該機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行精度檢測(cè)和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，并?duì)誤差補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，通過(guò)精度檢測(cè)和誤差補(bǔ)償，機(jī)床的各項(xiàng)精度已達(dá)到工作要求。

激光干涉儀 數(shù)控機(jī)床 精度檢測(cè) 誤差補(bǔ)償

引言

數(shù)控機(jī)床的加工精度由刀具與工件之間的相對(duì)位置決定，影響因素多，而機(jī)床的動(dòng)態(tài)誤差是最主要的影響因素。提高精度主要有兩種方式。一是硬件方法，即提高機(jī)床部件的加工和裝配精度。此方法不僅受到加工機(jī)床精度等級(jí)的制約，而且隨著加工精度的提高，加工成本呈指數(shù)增長(zhǎng)，效益不高。二是軟件方法，該方法通過(guò)使用激光干涉儀采集機(jī)床的定位精度，在利用機(jī)床系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償，對(duì)機(jī)床定位和重復(fù)定位精度進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到提高機(jī)床精度的效果[1]。針對(duì)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)與石家莊紡織機(jī)械有限公司合作研發(fā)的GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床，本文采用雷尼紹XL-80型號(hào)激光干涉儀對(duì)其進(jìn)行定位精度和重復(fù)定位精度的檢測(cè)，并計(jì)算出補(bǔ)償誤差，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行補(bǔ)償。

1 GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床

課題研究的大型六軸五聯(lián)動(dòng)GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床，主要用來(lái)生產(chǎn)直徑2.5m的大型螺旋錐齒輪，機(jī)床包含X、Y、Z、A、B、C六個(gè)軸，其中X、Y、Z是移動(dòng)軸，A、B、C是旋轉(zhuǎn)軸。X、Y軸由滾珠絲杠與光柵尺控制運(yùn)動(dòng)精度，Z軸由鏈條與光柵尺控制運(yùn)動(dòng)精度，A、B、C軸由力矩電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)精度，如圖1所示。

圖1 GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床

該機(jī)床采用ITNC530海德漢數(shù)控系統(tǒng)，可以補(bǔ)償下列機(jī)械誤差：反向間隙、線性誤差、非線性誤差、熱膨脹、圓周運(yùn)動(dòng)的反向尖角、靜摩擦[2]。誤差主要有兩項(xiàng)：一是鏈條的齒距誤差和滾珠絲杠的螺距誤差，二是傳動(dòng)反向間隙誤差[3]。海德漢ITNC530數(shù)控系統(tǒng)有相應(yīng)的補(bǔ)償系統(tǒng)。我們通過(guò)運(yùn)用雷尼紹XL-80激光干涉儀來(lái)對(duì)各個(gè)軸進(jìn)行測(cè)量，然后計(jì)算出各軸誤差，然后輸入到海德漢補(bǔ)償系統(tǒng)里。

2 檢測(cè)過(guò)程及注意事項(xiàng)

首先按說(shuō)明書(shū)步驟將激光干涉儀安裝好，提前將激光頭和補(bǔ)償器XC-80預(yù)熱，大約半小時(shí)左右。然后，打開(kāi)軟件Renishaw LaserXL里的線性測(cè)長(zhǎng)。

因?yàn)楦呔軝C(jī)床必須在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行加工，溫度濕度等必須恒定，所以環(huán)境補(bǔ)償器的一些參數(shù)設(shè)置給與一個(gè)定值，這個(gè)定值與機(jī)床工作環(huán)境相符。環(huán)境參數(shù)設(shè)置上，把自動(dòng)改為手動(dòng)，自己輸入一個(gè)加工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)值，如圖2所示。

圖2 Renishaw LaserXL軟件環(huán)境參數(shù)設(shè)定

干涉鏡一定要安裝在機(jī)床牢靠而固定的位置，且靠近反射鏡。否則，環(huán)境因素的影響很大，尤其是振動(dòng)，會(huì)造成測(cè)量值的不停跳動(dòng)，難以穩(wěn)定采點(diǎn)[4]，且可以減少死程。

線性干涉鏡和反射鏡的定位，要記住遠(yuǎn)端調(diào)角度，近端調(diào)位移。首先按說(shuō)明書(shū)將鏡組安裝好，放在合理位置，旋轉(zhuǎn)激光光閘，使激光輸出直徑小的光束如圖3所示，用光靶把反射鏡堵上，白點(diǎn)朝上。然后，啟動(dòng)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整鏡組位置和激光干涉儀的角度和位置。在靠近激光干涉儀的時(shí)候，如果激光干涉儀射出的光線不在光靶上的光標(biāo)中心，就調(diào)整激光干涉儀的左右位置和上下高度位置。左右位置旋轉(zhuǎn)激光干涉儀的平移旋鈕，上下位置就調(diào)整三腳架的高度旋鈕，讓光點(diǎn)移動(dòng)到光靶的光標(biāo)中心。在遠(yuǎn)離激光干涉儀的時(shí)候，光點(diǎn)在光靶上發(fā)生上下偏移，就旋轉(zhuǎn)激光干涉儀的俯仰旋鈕調(diào)整激光干涉儀的俯仰角度，左右偏移就調(diào)整激光干涉儀的扭擺旋鈕，使光點(diǎn)一直停留在光靶的光標(biāo)中心。經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整，激光干涉儀發(fā)出的光點(diǎn)一直停留在光靶的光標(biāo)中心。此時(shí)，摘下反射鏡的光靶，運(yùn)行機(jī)床觀察經(jīng)過(guò)反射鏡反射回去的光線是否停留在激光干涉儀光閘的光標(biāo)中心。如果沒(méi)有在光標(biāo)中心，就按上面的方法繼續(xù)調(diào)整，直到光點(diǎn)停留在激光干涉儀光閘上的光閘中心。然后，旋轉(zhuǎn)激光干涉儀的光閘，使激光輸出直徑大的光束，觀察激光干涉儀上面顯示的接收信號(hào)是否穩(wěn)定和達(dá)到要求。如果沒(méi)達(dá)到信號(hào)要求，再按上述方法微調(diào)，直到信號(hào)穩(wěn)定并且達(dá)到要求。

圖3 激光干涉儀光閘

數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔的設(shè)定要小于機(jī)床在被測(cè)量位置的停留時(shí)間，否則由于機(jī)床的不穩(wěn)定性和激光干涉儀采集的精確性，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不上，最后將無(wú)法分析整個(gè)測(cè)量行程。

3 誤差補(bǔ)償方法及注意事項(xiàng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17421.2—2000規(guī)定了通過(guò)測(cè)量機(jī)床的單獨(dú)軸線來(lái)檢驗(yàn)和評(píng)定數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度的方法。

采集數(shù)據(jù)時(shí)要設(shè)置越程量。越程量設(shè)置為超出量的60%～70%。采集的精度可以調(diào)節(jié)，如果讀數(shù)跳動(dòng)比較大，采集不上數(shù)值，可以把精度調(diào)大。測(cè)量重復(fù)定位時(shí)，先讓機(jī)床運(yùn)行一圈，看整體圖像。如果是一條斜線，測(cè)量間距可以大一些；如果有突跳，就看突跳點(diǎn)的左右間距，把測(cè)量間距調(diào)密一些。然后再測(cè)量?jī)扇?，分析?shù)據(jù)。定位精度和重復(fù)精度符合要求，再測(cè)量五個(gè)循環(huán)；不符合就計(jì)算誤差，將數(shù)據(jù)輸入到機(jī)床的位置補(bǔ)償系統(tǒng)里，重新測(cè)量。最后，分析五圈的測(cè)量的數(shù)據(jù)。如果符合精度要求，那么就按這個(gè)數(shù)據(jù)補(bǔ)償不變；如果不符合精度，就重復(fù)以上操作。

因?yàn)闄C(jī)床X軸的機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)在軌道中心部分，比較特殊，所以這里以X軸為例。X軸的行程為900-（-1100）。每100距離設(shè)置一個(gè)采集點(diǎn)。一個(gè)來(lái)回一共42個(gè)點(diǎn)，分別為900，800，700，600，500，400，300，200，100，0，-100，-200，-300，-400，-500，-600，-700，-800，-900，-1000，-1100，-1100，-1000，-900，-800，-700，-600，-500，-400，-300，-200，-100,0，100，200，300，400，500，600，700，800，900。用激光干涉儀測(cè)量采集數(shù)據(jù)，然后分析各點(diǎn)的誤差值。設(shè)各點(diǎn)誤差值分別為X1～X42，則每個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)償值為：

Y(0）=（X10+X33）/2，Y(100)=(X9+X34)/2-Y(0)，Y(200)=（X8+X35）/2-Y(0)，

Y(300)=（X7+X36）/2-Y(0)…

Y(900)=(X1+X42)/2-Y(0)…

Y(-1100)=(X11+X12)/2-Y(0)

除了零點(diǎn)不補(bǔ)償，其他的點(diǎn)都是把兩次誤差值相加除以二再減去零點(diǎn)的誤差值來(lái)作為本次點(diǎn)的補(bǔ)償值。將計(jì)算出來(lái)的補(bǔ)償值填入海德漢數(shù)控系統(tǒng)里，并且立即生效。首先在沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r下進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償前的機(jī)床定位與重復(fù)定位精度

GCMT2500機(jī)床的定位精度要求，如表1所示。

表1 行程至2 000mm的軸線的定位精度（單位：為毫米）

根據(jù)表1，現(xiàn)在機(jī)床的X軸定位精度與重復(fù)定位精度不符合要求，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，然后再進(jìn)行一次測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償后的機(jī)床的定位與重復(fù)定位精度

根據(jù)軟件分析的GB/T 17421——2000分析曲線來(lái)查看重復(fù)與定位精度，結(jié)果符合精度要求，然后再進(jìn)行五次循環(huán)進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果也符合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷尼紹XL-80激光干涉儀是機(jī)床制造、維修行業(yè)經(jīng)常使用的高精密設(shè)備之一，主要用于機(jī)床精度檢測(cè)與調(diào)整[5]。機(jī)床的精度是加工出一件合格產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。目前，用來(lái)評(píng)定機(jī)床性能的主要依據(jù)之一是機(jī)床軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的大小[6]。通過(guò)運(yùn)用介紹的方法，可以大大提高激光干涉儀的測(cè)量精度和提高機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，減小機(jī)床誤差。

[1]王堃，孫程成，錢鋒，等.基于激光干涉儀的數(shù)控機(jī)床定位精度檢測(cè)與誤差補(bǔ)償方法[J].航空制造技術(shù)，2010，（21）.

[2]海德漢技術(shù)手冊(cè)[S].

[3]徐芳.大型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床誤差建模與補(bǔ)償研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]曹利波.利用激光干涉儀對(duì)機(jī)床定位精度的快速檢測(cè)[J].紅外與激光工程，2008，（37）.

[5]崔劍平，王培林.淺談雷尼紹XL-80激光干涉儀的對(duì)光[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2015，（4）.

[6]曹永潔，萬(wàn)軍，傅建中，等.激光干涉儀在機(jī)床定位精度測(cè)量中的誤差分析[J].機(jī)床與液壓，2007，（4）.

GCMT2500 Complex CNC Machine Precision Test and Error Compensation

YIN Pengfei, YANG Lin
(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110020)

In the light of six axis five linkage the accuracy of the positioning accuracy of CNC machine tools, introduces the British renishaw (RENISHAW) XL-80 type laser interferometer for the machine tool positioning accuracy and repeat positioning accuracy of precision test and error compensation method,and analyze the data before and after error compensation.The result shows that through precision test and error compensation,the precision of the machine tool has to meet the job requirements.

laser interferometer, NC machine, precision testing, error compensation

沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（F15-040-2-00）。