某卧式数控车床圆轨迹精度测试与分析

2018-04-20马晓波

世界有色金属 2018年3期

谭智，马晓波，曹铎

（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳 110142）

目前随着数控机床制造技术的突飞猛发展，数控机床市场的需求量及技术要求也随之越来越高；如何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[1]。在影响机床加工精度的因素中，起支配作用的是运动精度。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的尺寸、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[2]。本文将以球杆仪这一高效、便捷的测量仪器来对某卧式数控车床进行圆轨迹精度测试与分析。

1 球杆仪误差测量原理

1.1 球杆仪结构简述

图1 球杆仪构造图

英国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，具体的构造如图1所示，球杆仪的传感器是球杆仪系统的主要部件，是一个精密的线性传感器，能够精确测出在球杆标称(100 mm)长度±1 mm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讯。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。

1.2 球杆仪的测试原理

用球杆仪进行误差测量，设坐标系的原点O(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P'(x',z')。则机床的空间误差可用这两个坐标表示如下：

式中∆x、∆z为P的位移误差。当存在误差∆x、∆z时，有下式成立。

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）得：

由z=Rcosθ，x=Rsinθ，可以得到：

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∆R，做出圆度误差曲线，可以综合反映出机床部件相互几何关系等因素。

2 测试内容及过程

针对数控车床进行球杆仪圆弧插补测试的总体测试流程如图2。

①先预热机床：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再确定测试半径：按照测试需求及机床行程选择测量半径；③对程序进行预运行：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；④确保球杆仪连接：连接球杆仪，包括电源、传感器、球座，将球杆仪链接到机床，准备进行实验；⑤执行测试：在测试程序通过预运行后，开始执行测试；⑥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。

⑦参数优化：在数据诊断的基础上，进行系统参数优化；⑧结果验证：在优化后对再次执行测试，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。

图2 测试流程图

分别以500mm/min、1500mm/min、3000mm/min进给速度，100mm为半径在XZ面内进行圆轨迹测试，获得圆度轨迹误差值。

3 测试结论

以下为3000mm/min进给速度的测试结果，经测试圆度为9.5um。

表1 误差及诊断表格单位：um

4 反向跃冲X 2.2 14% 2 5 横向间隙Z 0.8 5% 10 6 横向间隙X 0.3 2% 13 7 周期误差Z 2.5 15% 1 8 周期误差X 1.9 11% 4 9 伺服不匹配 1 6% 8 10 垂直度 1.5 9% 5 11 直线度Z 0.9 5% 9 12 直线度X 1.0 6% 7 13 比例不匹配 0.4 3% 12