譚 智，馬曉波，曹 鐸

（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

目前隨著數(shù)控機床制造技術的突飛猛發(fā)展，數(shù)控機床市場的需求量及技術要求也隨之越來越高；如何能在提高生產效率的同時，最大限度地降低制造成本、縮短交貨周期、并且保證機床的精度，因此急需先進的檢測設備及精度優(yōu)化的流程手段[1]。在影響機床加工精度的因素中，起支配作用的是運動精度。了解掌握機床的運動精度對于精密加工而言不可或缺。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，安裝與調整控制系統(tǒng)等對機床運動精度也有影響[2]。本文將以球桿儀這一高效、便捷的測量儀器來對某臥式數(shù)控車床進行圓軌跡精度測試與分析。

1 球桿儀誤差測量原理

1.1 球桿儀結構簡述

圖1 球桿儀構造圖

英國Renishaw公司生產的QC20球桿儀是一種快速檢測機床性能的精密儀器，具體的構造如圖1所示，球桿儀的傳感器是球桿儀系統(tǒng)的主要部件，是一個精密的線性傳感器，能夠精確測出在球桿標稱(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(jīng)處理后與計算機無線通訊。這允許Ballbar 20軟件對傳感器名義長度上的微小變化進行測量和分析。

1.2 球桿儀的測試原理

用球桿儀進行誤差測量，設坐標系的原點O(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，當機床運動到目標位置P(x,z)時，設機床的實際位置為P'(x',z')。則機床的空間誤差可用這兩個坐標表示如下：

式中?x、?z為P的位移誤差。當存在誤差?x、?z時，有下式成立。

這里R為OP的理想距離，忽略二階以上的高次誤差項，考慮R2=x2+z2，由式（2）得：

由z=Rcosθ，x=Rsinθ，可以得到：

式（4）表示點P處的定位和球桿儀半徑誤差的關系。該式是球桿儀測量裝置的基本方程式，反映了測量結果與誤差矢量之間的關系。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系等因素。

2 測試內容及過程

針對數(shù)控車床進行球桿儀圓弧插補測試的總體測試流程如圖2。

①先預熱機床：使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再確定測試半徑：按照測試需求及機床行程選擇測量半徑；③對程序進行預運行：按照選定的半徑、速度進行程序預運行，確保測試程序沒有問題；④確保球桿儀連接：連接球桿儀，包括電源、傳感器、球座，將球桿儀鏈接到機床，準備進行實驗；⑤執(zhí)行測試：在測試程序通過預運行后，開始執(zhí)行測試；⑥數(shù)據(jù)診斷：對測量結果進行診斷，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，周期誤差等誤差項的排序。

⑦參數(shù)優(yōu)化：在數(shù)據(jù)診斷的基礎上，進行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化；⑧結果驗證：在優(yōu)化后對再次執(zhí)行測試，如測試結果不理想，再次執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化步驟以獲得更好的優(yōu)化效果。

圖2 測試流程圖

分 別 以500mm/min、1500mm/min、3000mm/min進給速度，100mm為半徑在XZ面內進行圓軌跡測試，獲得圓度軌跡誤差值。

3 測試結論

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

表1 誤差及診斷表格單位：um

4 反向躍沖X 2.2 14% 2 5 橫向間隙Z 0.8 5% 10 6 橫向間隙X 0.3 2% 13 7 周期誤差Z 2.5 15% 1 8 周期誤差X 1.9 11% 4 9 伺服不匹配 1 6% 8 10 垂直度 1.5 9% 5 11 直線度Z 0.9 5% 9 12 直線度X 1.0 6% 7 13 比例不匹配 0.4 3% 12

圖3 測試結果

該臺臥式車床經(jīng)測試，Z方向的周期誤差、X方向的反向躍沖、Z方向的反向間隙是誤差占比最高的三項。利用球桿儀對數(shù)控機床的幾何誤差進行檢測是一種效率高操作簡單而且測量結果具有較高可信度的實用方法，同時還可以通過故障診斷數(shù)據(jù)對數(shù)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，找出故障問題，可以顯著提高數(shù)控機床的圓弧插補精度。

[1]王樹杰．方便快捷的數(shù)控機床檢測儀器——QC10球桿儀[J]．設備管理與維修,2005,10：26-27

[2]垣野義昭．基于球桿儀的數(shù)控機床精度評價方法[M]．西安：西安交通大學出版社,2011