仇 健，張 凱，李 鑫，葛任鵬

(沈陽機床(集團)有限責任公司高檔數(shù)控機床國家重點實驗室，沈陽 110142)

0 前言

數(shù)控機床的定位精度是機床運動部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運動時所能達到的位置精度，定位精度會對機床切削精度產(chǎn)生重要影響［1］。數(shù)控機床的定位精度一般使用激光干涉儀進行測量。激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。通常在機床精度檢測中使用的為雙頻激光干涉儀，它可以在車間內為大型機床的刻度進行標定，既可以對幾十米的大量程進行精密測量，也可以對微小精密機床測量，既可以對長度、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等幾何量進行測量，也可以用于微定位和間距的測量。具有精度高、應用范圍廣、環(huán)境適應力強、實時動態(tài)測量測速高等特點。

依據(jù)文獻［2］和［3］對激光干涉儀的測量原理和應用激光干涉儀對機床進行精度測試要求嚴格地進行試驗的測試，并依據(jù)文獻［4］GB17421.2-2000標準，通過直接測量機床的單獨軸線來檢驗和評定數(shù)控機床的定位精度和重復定位精度。

1 國內外對標機床的選定和試驗

為了了解和掌握適用于航空結構件加工的國產(chǎn)數(shù)控機床與進口產(chǎn)品的真實差距，選取國內某飛機制造廠和機床生產(chǎn)廠現(xiàn)役代表機床進行精度檢測。對標對象選擇需見過機床的坐標形式、進給軸和主軸類型、機床性能參數(shù)、適用加工范圍和加工零件材質等。經(jīng)評定，兩臺機床都采用X和Y聯(lián)動的十字滑臺結構作為工作臺基礎，工作臺承重相同，主軸隨機床Z軸上下移動。兩臺機床的導軌和絲杠形式相同，工作行程和工作臺范圍相近。主軸都采用機械式結構，最高轉速相近，有效工作轉速相當，主軸錐孔和主軸最大功率相近。兩臺機床的基本參數(shù)如表1所示。

表1 國內外機床基本參數(shù)對比

進口機床測試：X軸直線運動坐標的重復定位精度檢測是在各個坐標方向的全行程內，每隔200mm選取一個目標位置點，全程設置9個目標點，累計行程0～1600mm。以這些點作為目標位置，正、負兩個方向向其進行5次定位。測出每次定位時實際到達位置與目標位置的位置偏差，并按 ISO230-2［5］、ASME B5.54［6］和 GB 17421.2-2000［4］規(guī)定的方法計算出雙向位置偏差、平均位置偏差、反向偏差、定位標準不確定度等誤差項，并進一步獲得重復定位精度、定位系統(tǒng)偏差和定位精度。同樣，對于Y軸，全程設置11個位置點，間隔50mm，重復測試5次，累計行程0～500mm。對于Z軸，全程設置7個位置點，間隔50mm，重復測試5次，累計行程0～300mm。

國產(chǎn)機床測試：X軸，全程設置11個位置點，間隔140mm，重復測試3次，累計行程0～1400mm。Y軸，全程設置11個位置點，間隔70mm，重復測試3次，累計行程0～700mm。Z軸，全程設置11個位置點，間隔50mm，重復測試3次，累計行程0～500mm。將計算得到的誤差值進行統(tǒng)計，得到表2中X、Y、Z軸的各項誤差項。

2 定位精度測試和結果分析

由表2中進口機床X軸和國產(chǎn)機床Y軸、Z軸雙向位置誤差可見，兩臺機床三個軸線在幾次正向、反向運動過程中分別出現(xiàn)位置誤差的突越點，這樣的結果是很不理想的，進口機床第7個位置、國產(chǎn)機床Y軸第1個位置和Z軸第2個位置會限制軸線進行補償?shù)臐摿Α?/p>

圖1為國內外同型機床定位/重復定位精度的誤差對比分析，其中坐標橫軸分別表示軸線的：軸線反向差值B、平均反向差值Bave、正向重復定位精度Rz、反向重復定位精度Rf、雙向重復定位精度R、雙向平均位置偏差M、正向定位系統(tǒng)偏差Ez、反向定位系統(tǒng)偏差Ef、雙向定位系統(tǒng)偏差E、正向定位精度Az、反向定位精度Af、雙向定位精度A等。國產(chǎn)機床在X軸的雙向定位精度為132.83μm，要遠大于進口機床的54.66μm，但雙向重復定位精度55.26μm相比進口機床46.12μm差距不大。對于Y軸，國產(chǎn)機床雙向定位精度105.43μm相比進口機床40.86μm要大很多，雙向重復定位精度105.43μm相比進口機床16.76μm差距更明顯。對于 Z軸，國產(chǎn)機床雙向定位精度41.48μm相比進口機床109.86μm要好很多，雙向重復定位精度35.25μm相比進口機床38.24μm精度更高。

表2 X、Y、Z軸定位精度和重復定位精度統(tǒng)計

圖1 X/Y/Z軸位置誤差統(tǒng)計和對比

從圖1對比結果發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)機床在X、Y軸向與進口機床差距顯著，但在Z軸的各項位置誤差卻優(yōu)于進口機床。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)機床在機床最為重要的重復定位精度指標上X軸與進口機床幾乎相當，而Z軸指標卻稍優(yōu)于進口機床，只是在Y軸上差距明顯，說明國產(chǎn)機床在螺距誤差補償后可減小與進口機床的差距，但在個別軸向的差距確實需要正視和提高。

3 螺距誤差補償前后對比分析

實際測試中的螺距誤差補償是在應用renishaw激光干涉儀首先測試一個軸的定位精度，再通過生成誤差補償表，進而進行螺距誤差補償。其次，在補期更長和步驟相對復雜。

圖2 補償前后X軸誤差

圖3 國產(chǎn)機床補償前后誤差對比

以國產(chǎn)立式加工中心X軸的誤差補償前后數(shù)據(jù)進行對比分析為例，圖2a為補償后的平均位置偏差，相比表1中國產(chǎn)機床X軸平均位置偏差圖，可見螺距誤差補償可將原本傾斜的軸線糾正，并將雙向位置偏差以軸線零點對稱分布，而圖2b軸線的反向偏差、圖2c定位標準不確定度和圖2d重復定位精度比較表1中相應數(shù)據(jù)不會因補償而發(fā)生改變，其數(shù)值和分布趨勢補償前后完全相同。

圖3為圖1中國產(chǎn)機床X/Y/Z軸經(jīng)螺距誤差補償后應獲得的理論誤差值?？梢娐菥嗾`差補償并不會改變機床軸線的重復定位精度、反向偏差、平均反向差值，而會直接減小軸線的位置偏差、定位精度。從X軸、Y軸和Z軸的補償數(shù)據(jù)也可進一步證實，重復定位精度高的軸線其補償后可提升的定位精度更良好。

圖4為國內外兩種機床實測和補償后的雙向定位精度?？梢姡M口機床在X和Y兩個軸線上的雙向定位精度在補償前后都要優(yōu)于國產(chǎn)機床，國產(chǎn)機床由于在Y軸線上的第一個測試點存在明顯的突變，造成其Y軸精度遠遠低于進口機床，而在Z軸雙向定位精度上，未補償時國產(chǎn)機床明顯優(yōu)于進口產(chǎn)品，即使兩臺機床都做過補償后，國產(chǎn)機床略優(yōu)于進口機床。另外，由統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，重復定位精度好的機床，補償效果明顯。償好第一個軸的基礎上，對第二個軸向進行定位精度測試，之后對第二個軸進行補償;再次，對第三個軸應用同樣方法進行補償。最后，所有軸補償后的機床進行定位精度測試，獲得最終的補償后定位精度。這樣，獲得的機床定位精度理論上是要優(yōu)于本研究中所采用的補償方案，但是，缺點是補償所需周

圖4 國內外機床補償前后誤差統(tǒng)計

4 結論

(1)選取兩臺國內外典型鈦合金三坐標加工機床進行定位精度等誤差的對比研究，發(fā)現(xiàn)進口機床在多數(shù)軸線上的精度水平優(yōu)于國產(chǎn)設備。

(2)分析了定位精度等誤差的計算方法，并進行各誤差量和計算指標的數(shù)值仿真。計算得到螺距誤差補償值并進行補償仿真，結果證明誤差補償會提高機床的定位精度和位置偏差，但不會改變機床軸線的重復定位精度和反向偏差，并且補償后的軸線定位精度不會優(yōu)于軸線重復定位精度。

(3)研究發(fā)現(xiàn)，重復定位精度高的軸線其補償后可提升的定位精度更良好。進口機床的重復定位精度等級普遍高于國產(chǎn)機床，使得進口機床具備更強的補償和精度調整能力。造成國產(chǎn)機床與進口機床在定位精度指標上存在差距的原因主要是在軸線上存在少數(shù)突越位置，國產(chǎn)機床軸線一致性較差。

［1］張艷.VB715加工中心位置精度檢測和螺距誤差補償方法［J］.機床與液壓，2010，38(24)：107－108.

［2］RENISHAW PLC.RENISHAW HELP［K］.2009.

［3］RENISHAW PLC.激光干涉儀原理及應用概述［K］.2008.

［4］國家質量技術監(jiān)督局.GB 17421.2-2000機床檢驗通則-第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定［S］.北京：中國標準出版社，2000.

［5］The International Organization for Standardization.ISO 230-2-2006Test code for machine tools-Part 2：Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes［S］.Geneva：International Standard Organization，2006.

［6］American National Standards Committee.ASME B 5.54-2005 Methods for performance evaluation of computer numerically controlled machining centers［S］.New York：The American Society of Mechanical Engineers，2005.