随着机床制造技术突飞猛进 地发展,数控机床市场需求量及 技术要求随之日益提高。同时, 伴随着市场竞争日趋激烈,要求 能在提高生产效率的同时,最大 限度地降低制造成本、缩短交货 周期,并且保证机床的精度,因 此急需先进的检测设备及精度优 化的流程手段。
在影响机床加工精度的因素 中,起支配作用的是运动精度。 如果机床存在运动误差,复映到 加工形式上,则会导致加工误差 增大。所以,了解掌握机床的运 动精度对于精密加工而言不可或 缺。如果构成机床设备的各零部 件尺寸、形状精度低,则机床的 运动精度差。另外,安装与调整 控制系统等对机床运动精度也有 影响。
作为国家科技重大专项 “高速/复合数控机床及关键技 术创新能力平台”(项目编号 2011ZX04016-021)资助项目,
本文以球杆仪这一高效、便捷的 测量仪器建立立式加工中心精度 评价及优化流程,并在某立式加 工中心上进行应用验证。
球杆仪误差测量原理
1. 球杆仪结构
由雷尼绍(Renishaw)公司 生产的QC20球杆仪是一种快速检 测机床性能的精密仪器,具体构 造如图1所示。
球杆仪传感器是球杆仪系统
的主要部件。它是一个精密线性 传感器,能精确测出在球杆标称 100mm、长度±1mm行程内的 伸缩量。此传感器可提供电子信 号,这些信号经处理后与计算机 无线通信。这允许Ballbar 20软件 对传感器名义长度上的微小变化 进行测量和分析。
2. 球杆仪测试原理
用球杆仪进行误差测量,设 坐标系的原点〇(0,0)为车床 主轴轴杆上球座的中心,p(x,z)为刀架臂球心的名义坐标, 当机床运动到目标位置P (X, z)时,设机床的实际位置为, (X‘,z‘),则机床的空间误 差可用这两个坐标表示如下: Ax=x,一X, Az=z' —z (1) 式中,Ax、Az为P的位移误差。 当存在误差Ax、Az时,有下式 成立:
(R + A R) 2 = x'2+z'2 = ( x+ Ax) 2 + (z+Az) 2 (2)
这里R为OP的理想距离,忽 略二阶以上的高次误差项,考虑 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)表示点P处的定位和 球杆仪半径误差的关系。该式是 球杆仪测量装置的基本方程式, 反映了测量结果与误差矢量之间 的关系。测量所有的A R,做出 圆度误差曲线,可以综合地反映 出机床部件相互几何关系等因 素。
基于球杆仪的数控机床 精度测试流程
球杆仪的基本测量数据如 下。
(1) 单方向最大圆度偏差 (圆偏差):各平面的顺时针 (CW)及逆时针(CCW)方向
的运动误差轨迹圆度。在GB/T 17421.4第4部分中解释为包容在 实际轨迹上的两个同心圆(最小 区域圆)的最小半径差。
(2) 圆度(圆滞后):各平 面的顺时针及逆时针方向的综合 误差轨迹圆度。在GB/T 17421.4
第4部分中解释为两实际轨迹的最 大半径差,其中一个轨迹是顺时 针轮廓运动,另一个是逆时针轮 廓运动。
(3) 径向偏差(半径偏 差):实际轨迹与名义轨迹间的
偏差。
(4) 单向重复性:在较短时 间间隔内在待测平面内以顺时针 方向测量两次,根据两运动误差 轨迹之间的最大偏差确定单向重
复性。
(5) 双向重复性:根据各测 试平面的顺时针方向与逆时针方 向轨迹之间的最大偏差确定双向 重复性。
2. 软件诊断量
利用球杆仪测试软件可自 动得出诊断值,包括反向间隙、 反向跃冲、横向间隙、伺服不匹 配、垂直度及直线度等,并且可 以计算出各误差所占比重。
3. 测试影响因素分析 影响圆度测量结果的主要因
素包括圆半径、轴进给速度以及 进给轴伺服参数。另外,在机床 不同位置的圆度也可能不同。
(1) 测量半径选择:球杆仪 通过小圆组件以及加长杆的搭配 组合,测量半径为50?600mm。 当用小半径测量时,由于相同的 进给速度线速度相对大,因此对 机床伺服特性的考察效果比较 好;当用大半径测量时,由于测 试范围较大,可以更好地评价机 床的几何精度,但如果测量半径 很大,球杆在自重的作用下会发 生弯曲,测量精度降低。
(2) 进给速度选择:为了兼 顾高速和低速,便于对比,通常
选择500mm/min、1000mm/min、
1500mm/min、 2000mm/min、
3000mm/min—种或几种不同速 度下进行圆测试。
(3) 伺服参数的调整:当 圆度测试结果出现较大的换向跳 动、爬行以及椭圆等现象时,应 根据测试所得的数据,对相关伺 服轴的速度环增益、动态匹配参 数等进行调整,以获得更好的圆 度数据,必要时需反复调整和测 试多次。
4. 测试流程
针对数控机床进行球杆仪圆 弧插补测试的总体测试流程如图 2所示。
(1) 预热机床:使机床以 测试速度运行半个小时,让机床 进行充分的润滑与热机。
(2) 确定测试半径:按照 测试需求及机床行程选择测量半 径。
(3) 程序预运行:按照选定的半径、速度进行程序预运 行,确保测试程序没有问题。
(1) 球杆仪连接:连接球杆 仪,包括电源、传感器和球座, 将球杆仪连接到机床,准备进行 试验。
(2) 执行测试:在测试程序 通过预运行后,开始执行测试。
(3) 数据诊断:对测量结 果进行诊断,明确各轴的位置误 差、角度误差、直线度、垂直度 以及比例误差、周期误差等误差 项的排序。
(4) 参数优化:在数据诊断 的基础上,进行系统参数优化。
(5) 结果验证:在优化后 再次执行测试,如测试结果不理 想,再次执行参数优化步骤以获 得更好的优化效果。
应用实例
1. 测试过程
以某存在联动精度故障的立 式加工中心为例,对测试及优化 过程进行说明,分别在工作台不 同的5个位置对平面 内圆轨迹运动精度进行测量,进 给速度选择为1 500mm/min,通 过测量结果可以形成对该加工中 心空间场的精度评价。
在测试点1的时候先对优化前 的精度数值进行测试,而后各点 测量值都为优化后的精度值。测 试点的布置及测试过程如图3、图 4所示。
2. 测试结论
5个测试点的测试结果如图5 和表1所示。
1. 系统参数优化
由球杆仪诊断表可以得到反 向间隙和伺服不匹配为该机床圆 度测试的主要误差。系统参数优 化方法如下:
(1) 根据三个平面的圆度误 差测试曲线,调整各伺服轴反向 间隙补偿参数。
(2) 根据三个平面的圆度 误差测试曲线,找出动态响应最 慢的伺服轴,之后设置两个伺服 轴的动态匹配时间参数,使这两 个伺服轴的动态响应均与动态响 应最慢的伺服轴相匹配,从而实 现三个伺服轴动态响应均匹配, 这样可以同时对三个平面的圆测 试曲线中伺服不匹配现象进行改 善。
2. 优化后的测试数据
位置点1在优化前后球度及 各平面圆度(圆滞后)如图6和 表2所示。可以看出优化前整体 球度为90.1^m,经过伺服参数优 化调整为49.6 pm,面圆度由 90.0 pm降低为49.6 pm,ZX面圆 度由70.2 pm降低为45.5 pm。
针对5个测试点优化后各点的
表2位置点1球度及各面圆度平均
|
球度、平面圆度如图7所示。从测 试结果总体来看,整体球度最不 好的点为2号点,即工作台的左上 角位置;4号位置其次;最好的点 为3号点和1号点。因此在加工空 间中,3号点和1号点附近为加工 适宜区域,在实际加工中应优先 选择。
对优化后的圆度偏差图形结 果和球杆仪诊断表进行分析,通 过调整数控系统反向间隙补偿参 数的设置,补偿了机床中存在的 反向间隙;通过调整数控系统位 置环增益的设置,改善了各轴伺 服不匹配的情况,使该机床的圆 弧插补精度有所提升。
结语
利用球杆仪对数控机床的几 何误差进行检测是一种效率高、 操作简单而且测量结果具有较高 可信度的实用方法,同时还可以 通过故障诊断数据对数控系统进 行优化,可显著提高数控机床的 圆弧插补精度。
球杆仪测试系统可以用于数 控机床开发使用的各阶段,包括 设计开发阶段样机结构缺陷的早 期发现与排除、机床出售阶段的 最终调试与精度检验,以及定期 检查阶段的精度维护。
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