基于球桿儀的臥式五坐標(biāo)加工中心圓度誤差診斷*

仇 健 王冠明 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，遼寧沈陽 110142)

球桿儀系統(tǒng)提供了一種測量數(shù)控機(jī)床幾何誤差、數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的不準(zhǔn)確因素產(chǎn)生的誤差的有效方法［1］。測量時(shí)球桿的一端小球吸附在工作臺(tái)的磁力支座上，另一端吸附在安裝在刀柄上的帶有磁性的杯形槽中，機(jī)床主軸和工作臺(tái)通過精密球桿相連，如圖1所示。通過讓機(jī)床運(yùn)行一段圓弧或整圓周來執(zhí)行球桿儀測試，機(jī)床圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡通過裝在球桿上的精密傳感器測得，運(yùn)動(dòng)中半徑的微小偏移量可反映機(jī)床的幾何誤差［2］。執(zhí)行完球桿儀測試之后，系統(tǒng)會(huì)生成一個(gè)診斷曲線圖，通過目測或軟件進(jìn)行分析，確認(rèn)機(jī)床上的特定誤差。目前，球桿儀已經(jīng)被ISO230［3］和 ASME B5.54［4］等采納為檢測機(jī)床圓運(yùn)動(dòng)和精度檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)工具，并且明確檢驗(yàn)的方法、流程。應(yīng)用球桿儀可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn)，為機(jī)床的驗(yàn)收提供可靠的數(shù)據(jù)支持;可用來進(jìn)行數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的測試和評(píng)估，測量結(jié)果可用來診斷數(shù)控機(jī)床的誤差成因，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以作為誤差分離的依據(jù);同時(shí)，球桿儀測試還可以作為快速評(píng)估機(jī)床綜合性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 臥式五軸數(shù)控機(jī)床球桿儀測試

Starrg STC 1250精密臥式五軸加工中心適用于航空零件加工特點(diǎn)，機(jī)床具有高剛性，高精度，高可靠性等特點(diǎn)，適合加工以鈦合金、合金鋼等難加工材料制成的各種復(fù)雜型面飛機(jī)零件。機(jī)床總體布局為縱、橫床身T字型結(jié)構(gòu)，配有雙交換工作臺(tái)，極大地提高了加工效率。工作臺(tái)在橫床身上移動(dòng)，橫向行程大?？蛐土⒅龗煜?，對(duì)稱設(shè)計(jì)，受力、受熱均勻，精度穩(wěn)定。機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作臺(tái)尺寸1 000 mm×1 000 mm，最大承重5 t，主電動(dòng)機(jī)功率37 kW，主軸轉(zhuǎn)速200～15 000 r/min，主軸最大扭矩70 N·m，定位精度X/Y/Z軸 0.006 μm/0.006 μm/0.000 31 μm，A、C軸均9″，重復(fù)定位精度X/Y/Z軸0.005 μm/0.005 μm/0.000 2 μm，A、C軸均 6″。

由于機(jī)床屬于臥式加工中心(圖3a)，因此，在進(jìn)行球桿儀測試時(shí)要求機(jī)床在XY平面內(nèi)全圓周運(yùn)動(dòng)、YZ平面和ZX平面做半圓周運(yùn)動(dòng)［2］。XY平面測試時(shí)起始角0°，終止角360°，越程角 180°，如圖 3b。YZ平面測試起始角340°，終止角 200°，越程角 2°，如圖 3c。ZX平面測試起始角 250°，終止角 110°，越程角 2°，如圖3d。上述試驗(yàn)測試每次測試均包含沿順時(shí)針、逆時(shí)針各運(yùn)行一次。各平面測試分別在進(jìn)給速度f=1 000、2 000、3 000和4 000 mm/min進(jìn)行兩次以上測試，對(duì)應(yīng)的采用頻率分別為 40 Hz、76.923 Hz、125 Hz、166.667 Hz。

圖4為機(jī)床三個(gè)坐標(biāo)平面的圓度誤差，從測試結(jié)果可見，數(shù)控機(jī)床的各個(gè)坐標(biāo)平面上的圓度誤差都與機(jī)床的進(jìn)給速度成正比，由此可見，如果要獲得更好的圓運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)給速度需要得到控制。

2 機(jī)床誤差規(guī)律分析和討論

圖5為該機(jī)床實(shí)測獲得的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可見XY平面Y方向的反向越?jīng)_和反向間隙、兩伺服進(jìn)給軸的伺服不匹配、比例不匹配是產(chǎn)生圓度誤差的主要原因;其次，對(duì)誤差影響較大的因素還有X和Y方向的周期誤差、X方向的反向越?jīng)_和反向間隙等。而對(duì)于YZ和ZX平面而言，對(duì)圓度影響最大的誤差項(xiàng)為Y和Z以及Z和X軸的垂直度誤差。

圖6中，數(shù)控機(jī)床在兩軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)進(jìn)給軸的實(shí)際螺距運(yùn)動(dòng)是不同的，一般在一個(gè)進(jìn)給軸達(dá)到最大螺距運(yùn)動(dòng)時(shí)另一進(jìn)給軸還沒有完全實(shí)現(xiàn)最大螺距進(jìn)給。由此也可以看出，兩軸聯(lián)動(dòng)的螺距運(yùn)動(dòng)變化與進(jìn)給速度沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在，圓度誤差與實(shí)際運(yùn)動(dòng)螺距也沒有明確聯(lián)系。

從圖7三個(gè)平面球桿儀測試的中心偏置與進(jìn)給速度的關(guān)系曲線可以看出，進(jìn)給速度增加，實(shí)測的中心偏置也隨之增大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，XY平面和ZX平面的中心偏置分布與進(jìn)給速度呈現(xiàn)線性規(guī)律，而YZ平面的中心偏置分布與進(jìn)給速度呈現(xiàn)指數(shù)分布規(guī)律。

各平面圓運(yùn)動(dòng)時(shí)的設(shè)定進(jìn)給速度和球桿儀測試計(jì)算得到的計(jì)算進(jìn)給速度的關(guān)系曲線如圖8所示，盡管計(jì)算速度存在一定偏差，但與設(shè)定速度基本一致。

3 診斷實(shí)例和誤差原因說明

以XY平面進(jìn)給速度1 000 mm/min的圓運(yùn)動(dòng)測試為例，測試時(shí)起始角 0°，終止角 360°，越程角 180°，采樣頻率40 Hz，測試沿順時(shí)針、逆時(shí)針各運(yùn)行一次，診斷結(jié)果由表1可見。表1左上圖形中包含沿逆時(shí)針圓運(yùn)動(dòng)軌跡1，沿順時(shí)針圓運(yùn)動(dòng)軌跡2，以及逆、順時(shí)針擬合圓軌跡。如果機(jī)床不存在誤差，那么兩次實(shí)測軌跡應(yīng)該重合為一個(gè)理想的圓軌跡［2，5］。但由于誤差存在，該參數(shù)條件下機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡為包含數(shù)控機(jī)床的比例不匹配、Y軸和X軸的周期誤差、伺服不匹配、周期誤差、Y軸的反向越?jīng)_、X軸和Y軸的橫向間隙等誤差的綜合表現(xiàn)，各種誤差圖形如表中所示。

(1)比例不匹配

機(jī)床在XY平面內(nèi)整圓運(yùn)動(dòng)時(shí)X軸和Y軸運(yùn)行的距離差，由比例不匹配所產(chǎn)生的圖形呈現(xiàn)橢圓形，沿Y軸(90°)方向拉伸，橢圓圖形上的長軸和短軸之間的差即是比例不匹配誤差值。拉伸變形不受球桿儀測試時(shí)順逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)方向的影響。雷尼紹提供的診斷幫助文檔指出比例誤差造成的拉伸變形量，其大小通常不受機(jī)床進(jìn)給率影響［2］。比例誤差將使機(jī)床切削的零件出現(xiàn)尺寸誤差［6］。

(2)周期誤差X/Y

周期誤差是沿測試圖形頻率、幅度均發(fā)生變更的周期性正弦曲線誤差。周期誤差存在方向性，代表隨運(yùn)動(dòng)方向而改變的誤差值。X和Y軸向的周期誤差波長在整個(gè)圓周上近似為常數(shù)。產(chǎn)生周期誤差的原因有多種，主要有滾珠絲杠的螺紋磨損、位置反饋系統(tǒng)的安裝偏心、滾珠絲杠的安裝偏心、位置控制的細(xì)分裝置或傳感器未調(diào)整到位［2，7］。由于本例中測試圖形在順逆時(shí)針兩方向運(yùn)動(dòng)軌跡不同，因此，排除滾珠絲杠螺紋磨損的影響。其周期誤差僅在單方向存在，并且圖形會(huì)受運(yùn)動(dòng)方向影響，因此，引起X和Y軸向周期誤差的原因很可能是機(jī)床的平衡問題。

(3)反向越?jīng)_

圓運(yùn)動(dòng)軌跡在經(jīng)過軸線時(shí)產(chǎn)生的最大尖峰絕對(duì)值即為反向越?jīng)_。尖峰大小與機(jī)床實(shí)際進(jìn)給率有關(guān)。反向越?jīng)_是機(jī)床沿圓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于換向處機(jī)床不平穩(wěn)而產(chǎn)生的短暫粘滯停頓。造成這一現(xiàn)象的可能原因主要是Y軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用的扭矩不夠，換向處由于摩擦力的方向發(fā)生改變而出現(xiàn)粘性停頓?；蛘邫C(jī)床在進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償時(shí)伺服響應(yīng)時(shí)間不準(zhǔn)確。機(jī)床不能準(zhǔn)時(shí)地對(duì)反向間隙施加補(bǔ)償，導(dǎo)致Y軸出現(xiàn)停頓，而由反向間隙帶來的停滯被取而代之。伺服機(jī)構(gòu)在伺服換向點(diǎn)響應(yīng)很差，導(dǎo)致在Y軸或X軸一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)停止而開始另一方向運(yùn)動(dòng)之間出現(xiàn)短暫時(shí)延。機(jī)床的反向躍沖將使圓弧插補(bǔ)加工在零件上出現(xiàn)一個(gè)小平臺(tái)后再向原軌跡復(fù)位的臺(tái)階。

(4)伺服不匹配

當(dāng)X軸和Y軸間伺服環(huán)增益不匹配時(shí)將發(fā)生伺服不匹配誤差。它導(dǎo)致一根軸超前于另一根軸而出現(xiàn)沿45°或135°對(duì)角方向拉伸變形呈橢圓或花生形，造成圓運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)圓不圓。本例中在分別進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針測試時(shí)拉伸變形軸向發(fā)生改變，并且由于超前軸的增益較高，因此X軸超前Y軸。通常隨著進(jìn)給率的增加，拉伸變形量也會(huì)增加，因伺服不匹配造成的插補(bǔ)圓的橢圓程度越大。

4 機(jī)床誤差消除方法

為避免因誤差造成的不利影響，針對(duì)上述誤差的產(chǎn)生原因，逐項(xiàng)消除誤差并通過二次試驗(yàn)測試確定誤差控制情況，直至測試結(jié)果中的各項(xiàng)誤差均符合實(shí)際要求。實(shí)際測試和控制誤差時(shí)，一般需要在同一位置多次重復(fù)測試以及多個(gè)位置進(jìn)行測試來綜合診斷機(jī)床的誤差分布。這里只針對(duì)上述測試實(shí)例暴露出的問題開展診斷分析以消除典型誤差項(xiàng)，不具有普遍性，而實(shí)際應(yīng)用中情況要更復(fù)雜。

消除比例誤差，檢查使用的機(jī)床所有線性誤差補(bǔ)償值是否正確，檢查軸上直線光柵是否正確拉緊，滾珠絲杠狀況是否良好，并且沒有過熱，檢查機(jī)床導(dǎo)軌直線度。如發(fā)現(xiàn)上述問題存在，則需要采取必要的維修、調(diào)整或更換措施［2］。

消除反向越?jīng)_，如果機(jī)床的控制系統(tǒng)具有去除尖峰的能力，則利用該功能來限制反向越?jīng)_的影響［2］。此外，在各種不同進(jìn)給率條件下進(jìn)行一系列測試，找出反向越?jīng)_對(duì)機(jī)床加工誤差影響最小的進(jìn)給率，可以在進(jìn)行實(shí)際圓弧插補(bǔ)加工過程中優(yōu)化選擇適合精加工的最佳進(jìn)給率［2，6］。

消除伺服不匹配誤差，可通過調(diào)整機(jī)床控制器各軸伺服增益［2］，加大滯后軸的增益，降低超前軸的增益來調(diào)整平衡。

消除周期誤差，如果周期誤差來源于滾珠絲杠，則調(diào)整滾珠絲杠或位置反饋系統(tǒng)的安裝來消除周期誤差。這里周期誤差來源于機(jī)器的平衡機(jī)構(gòu)，則調(diào)整機(jī)器的平衡機(jī)構(gòu)來消除周期誤差。

5 結(jié)語

(1)數(shù)控機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)平面上的圓度誤差都與機(jī)床的進(jìn)給速度成正比，圓運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心偏置隨進(jìn)給速度增加而增大。

(2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床的比例不匹配、周期誤差、伺服不匹配、反向越?jīng)_、反向間隙、垂直度誤差等對(duì)產(chǎn)生圓度誤差的主要原因，并且針對(duì)不同的軸向和測試平面，圓度誤差的組成誤差分布不同。

(3)結(jié)合實(shí)例，給出圓度誤差診斷信息。通過檢查和修正機(jī)床的絲杠、導(dǎo)軌來控制比例誤差;利用機(jī)床控制系統(tǒng)具有的去除尖峰的能力來限制反向越?jīng)_的影響;通過調(diào)整機(jī)床控制器各軸伺服增益來消除伺服不匹配誤差;通過調(diào)整機(jī)器的平衡機(jī)構(gòu)來消除周期誤差。

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