李志宏，吳清鋒，曾愛平，成綿龍

(廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院國家機(jī)械產(chǎn)品安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東佛山 528300)

數(shù)控機(jī)床 (包括加工中心)是一種應(yīng)用非常廣泛的加工裝備，精度非常高，一般都是微米級的，其中定位精度和重復(fù)定位精度是反映數(shù)控機(jī)床位置精度的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。目前業(yè)內(nèi)對該兩項(xiàng)指標(biāo)大多采用激光干涉儀進(jìn)行檢測，試驗(yàn)方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2-2000《機(jī)床檢驗(yàn)通則 第2部分:數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)內(nèi)容上與ISO230-2:1997《數(shù)字控制機(jī)床位置精度的評定方法》一致。盡管檢測設(shè)備和方法標(biāo)準(zhǔn)都達(dá)到國際先進(jìn)水平，不同的制造廠或者第三方檢測機(jī)構(gòu)在檢測同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床時(shí)卻時(shí)常得出不同甚至差異較大的精度結(jié)果。作者通過對同一臺(tái)立式加工中心進(jìn)行一系列試驗(yàn)，分析了影響機(jī)床數(shù)控精度檢測準(zhǔn)確性的因素。

1 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)分類

進(jìn)給伺服系統(tǒng)按期控制方式不同，可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置安裝位置不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)、全閉環(huán)系統(tǒng)［1］，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床控制結(jié)構(gòu)圖［2］

1.1 開環(huán)控制［2］

開環(huán)控制系統(tǒng)無位置反饋裝置，使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(包括電液脈沖馬達(dá))作為伺服執(zhí)行元件是其最明顯的特點(diǎn)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，數(shù)控裝置輸出的脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再經(jīng)過減速裝置(或直接連接)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，就可以間接控制移動(dòng)部件的位移量，見圖1(a)。因系統(tǒng)對移動(dòng)部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行檢測，也就無法通過反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行誤差檢測和校正，因此開環(huán)控制僅適用于加工精度要求不高、負(fù)載較輕且變化不大的簡易、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。

1.2 半閉環(huán)控制［2］

半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是:機(jī)床的傳動(dòng)絲杠或伺服電動(dòng)機(jī)上裝有角位移檢測裝置 (如光電編碼器)，通過它可以檢測電動(dòng)機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角，因伺服電動(dòng)機(jī)和絲杠相連，通過絲杠可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移，從而間接地檢測了移動(dòng)部件的位移，見圖1(b)、(c)。角位移信號被反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)了從位置給定到電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角間的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。因這種結(jié)構(gòu)只對電動(dòng)機(jī)或絲杠的角位移進(jìn)行閉環(huán)控制，沒有實(shí)現(xiàn)對最終輸出的直線位移的閉環(huán)控制，故稱為“半閉環(huán)”控制系統(tǒng)。對于這種系統(tǒng)，位置檢測單位和實(shí)際最小移動(dòng)單位間的匹配，可以通過數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù) (通常被稱為“電子齒輪比”)進(jìn)行設(shè)置。由于機(jī)械傳動(dòng)部件未全在位置控制環(huán)內(nèi)，相比全閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制精度要差些，但它具有傳動(dòng)系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，從而在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 全閉環(huán)控制［2］

全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置 (如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)安裝在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件 (如工作臺(tái))上，機(jī)械傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置控制環(huán)內(nèi)，見圖1(d)，因而控制精度高?；陂]環(huán)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，它對機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的要求比半閉環(huán)更高，傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙、導(dǎo)軌的爬行等各種非線性因素將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生振蕩，故必須綜合考慮機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機(jī)電的要求比較高，且造價(jià)昂貴。

鑒于國內(nèi)市場使用半閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最為廣泛，此次試驗(yàn)選擇這類設(shè)備作為研究對象。

2 測試部分

2.1 被試機(jī)床及測量儀器

測試樣機(jī)為一臺(tái)型號為VMC850的立式加工中心，主要參數(shù)如下:X、Y、Z軸行程分別為800、550、500 mm，工作臺(tái)尺寸為550 mm×1 000 mm(寬×長)，見圖2。

圖2 被試機(jī)床外形

Renishaw XL80激光干涉儀 (英國雷尼紹)，線性測量距離 40 m，精度 ±0.5×10－6，分辨率為0.1 μm。

2.2 測試條件

(1)機(jī)床測試前放置10 h，調(diào)整激光干涉儀光路，之后再繼續(xù)放置15 h;測試前不進(jìn)行升溫操作;

(2)材料傳感器和空氣傳感器各1個(gè)，放置在工作臺(tái)面上 (具體位置見圖3)，用于采集工作臺(tái)表面溫度和環(huán)境溫度;用分度值為0.1℃的溫度計(jì)直接采集絲桿表面的溫度;

圖3 材料傳感器和空氣傳感器放置位置

(3)氣壓101.2 kPa，空氣濕度87%;

(4)不使用機(jī)內(nèi)補(bǔ)償程序。

2.3 測試參數(shù)

此次試驗(yàn)采用GB/T17421.2-2000中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)開展測量，與測試相關(guān)的參數(shù)選擇見表1。

表1 測試相關(guān)參數(shù)說明

首先選擇滾珠絲桿熱膨脹系數(shù)為11.7 μm/(m·℃)，連續(xù)測量10次，改為10.6 μm/(m·℃)后再連續(xù)測量2次，最后在X軸700 mm行程范圍內(nèi)快速往復(fù)空運(yùn)行10 min進(jìn)行升溫操作，設(shè)置膨脹系數(shù)為11.7 μm/(m·℃)再測量1次，共13次循環(huán)式測量。

3 結(jié)果與分析

13次循環(huán)式測量結(jié)果見表2。

表2 位置精度測試結(jié)果

3.1 機(jī)床絲桿副熱穩(wěn)定狀態(tài)的影響

從表2和圖4看到，機(jī)床從冷態(tài)開始連續(xù)測量至第7次，其定位精度變化很大，直至第8～10次時(shí)，才穩(wěn)定在27 μm左右。這表明，如果檢測前沒有進(jìn)行升溫運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)床需要連續(xù)測量多次才能獲得一個(gè)穩(wěn)定的測量結(jié)果。因每次測量時(shí)的程序相同，唯一不同的是測量過程中絲桿副運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致每次測量時(shí)的溫度各異，直至從第8次開始，絲桿溫度才趨于穩(wěn)定 (30.8℃左右，見表2)，測量結(jié)果也就趨于穩(wěn)定。這說明機(jī)床熱狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，測量結(jié)果是不穩(wěn)定的。為了消除熱狀態(tài)對測量結(jié)果的影響，GB/T17421.2第3.3條規(guī)定:“連續(xù)地趨近任一特定的目標(biāo)位置時(shí)，若偏差成一有序序列，應(yīng)考慮到熱狀態(tài)尚不穩(wěn)定，則應(yīng)通過升溫運(yùn)轉(zhuǎn)使這些趨勢減至最低限度”。此次試驗(yàn)在檢驗(yàn)前雖然沒有進(jìn)行快速升溫運(yùn)轉(zhuǎn)，但連續(xù)多次的檢測過程中也能使機(jī)床絲桿趨于熱穩(wěn)定狀態(tài) (但約需1 h的時(shí)間)。

圖4 精度檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)折線圖 (不含第13次測量結(jié)果)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過控制絲桿轉(zhuǎn)角來間接控制工作臺(tái)移動(dòng)距離的，而激光干涉儀測量的是工作臺(tái)移動(dòng)距離，因此，為了準(zhǔn)確評價(jià)機(jī)床的位置精度，必須確保在整個(gè)檢測過程中，絲桿轉(zhuǎn)角與工作臺(tái)移動(dòng)距離的匹配關(guān)系不能發(fā)生變化，或者說該匹配關(guān)系必須與控制系統(tǒng)的“電子齒輪比”保持一致。實(shí)際上，在從機(jī)床冷態(tài)開始檢測時(shí)，絲桿的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致其溫度逐漸升高而發(fā)生熱變形，絲桿轉(zhuǎn)角與工作臺(tái)移動(dòng)距離間的對應(yīng)關(guān)系會(huì)不斷發(fā)生變化，因此在絲桿溫度未達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)前所檢測的精度是不穩(wěn)定的，也是不準(zhǔn)確的。而閉環(huán)控制系統(tǒng)由于用位移傳感器直接控制工作臺(tái)移動(dòng)距離，絲桿溫度穩(wěn)定性對檢測精度的影響就比較小。

從國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、控制系統(tǒng)的原理和此次試驗(yàn)的結(jié)果看，為了獲得穩(wěn)定的測量結(jié)果，必須使機(jī)床絲桿副處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)可通過檢驗(yàn)前的升溫運(yùn)轉(zhuǎn)或多次的連續(xù)測量獲得。由于從機(jī)床冷態(tài)至連續(xù)測量獲得熱穩(wěn)定狀態(tài)所花時(shí)間較長，從檢測效率角度考慮，檢驗(yàn)前進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳郎剡\(yùn)轉(zhuǎn)也許更實(shí)際，但升溫運(yùn)轉(zhuǎn)的速度、時(shí)間要針對不同的機(jī)床反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)才能確定，一旦確定，就可作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這對機(jī)床制造廠尤為必要 (目前業(yè)內(nèi)大多讓機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件快速運(yùn)轉(zhuǎn)3～5個(gè)來回就開始檢測，嚴(yán)格來說是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。從表2可看到:機(jī)床熱穩(wěn)定狀態(tài)下經(jīng)10 min連續(xù)快速空運(yùn)轉(zhuǎn)后再檢測時(shí)，定位精度從27 μm猛升至84 μm，表明過度的升溫運(yùn)轉(zhuǎn)對檢測結(jié)果造成的影響是很大的;此外，連續(xù)快速空運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后，絲桿溫度升高了1.9℃，而工作臺(tái)僅升高了0.4℃，因此，以工作臺(tái)表面實(shí)測溫度去判斷機(jī)床熱狀態(tài)是否穩(wěn)定也是不可靠的。

3.2 檢測元件熱膨脹系數(shù)的影響

從表2和圖4看到:在連續(xù)測量10次、定位精度結(jié)果趨于穩(wěn)定情況下，把滾珠絲杠的熱膨脹系數(shù)從11.7改為10.6 μm/(m·℃)，則定位精度下降約5 μm。GB/T17421.2第3.1條規(guī)定:“應(yīng)該注意，任何與20℃的溫差均可對有效膨脹系數(shù)下的不確定度產(chǎn)生一個(gè)附加不確定度，而有效膨脹系數(shù)是供補(bǔ)償用的，因此在檢驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)記錄實(shí)際的溫度，供方/制造廠應(yīng)提供軸線定位系統(tǒng)的有效膨脹系數(shù)”。不同的材料有不同的熱膨脹系數(shù)，鑒于該系數(shù)對測量結(jié)果的影響，用戶或技術(shù)機(jī)構(gòu)檢測時(shí)應(yīng)索取供方/制造廠提供的有效膨脹系數(shù)，不能按經(jīng)驗(yàn)隨意選取。

3.3 測量儀器傳感器放置位置的影響

GB/T17421.2第3.1條規(guī)定:“最為理想是使測量儀器和被檢對象處于20℃的環(huán)境下進(jìn)行檢測，如不在20℃下檢測，則必須修正軸線定位系統(tǒng)和檢測設(shè)備間的名義差脹 (NDE)，以獲得修正到20℃的檢測結(jié)果，在這種情況下，需要測量機(jī)床定位系統(tǒng)和檢測設(shè)備的代表性部位的溫度”。為了獲得準(zhǔn)確的NDE修正效果，最理想的是把激光干涉儀的溫度傳感器放置在絲桿上，但實(shí)際檢測時(shí)不太容易做到。供方/制造廠在產(chǎn)品出廠前一般把傳感器放置在最靠近絲桿副的工作臺(tái)表面進(jìn)行精度檢測并進(jìn)行調(diào)試、精度補(bǔ)償，因此其他相關(guān)方對該機(jī)床進(jìn)行檢測時(shí)也放在相同的位置最為理想。由于絲杠與工作臺(tái)不為一體，從表1看到，絲杠發(fā)熱程度與工作臺(tái)不同步，絲桿達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，工作臺(tái)表面溫度與之相差1℃左右，因工作臺(tái)面積遠(yuǎn)大于作為“發(fā)熱體”絲桿的面積，工作臺(tái)表面的溫度是不均勻的，為了獲得與供方/制造廠一致的補(bǔ)償效果，其他相關(guān)方檢測時(shí)最好索取當(dāng)初調(diào)試機(jī)床時(shí)傳感器放置位置的信息。

4 小結(jié)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2-2000雖然規(guī)定了詳細(xì)的數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的檢測方法，但同時(shí)也要求檢測前須確認(rèn)很多條件，機(jī)床評價(jià)方必須予以重視和落實(shí)才能獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。從標(biāo)準(zhǔn)的要求和此次試驗(yàn)結(jié)果看，為了準(zhǔn)確測量半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的位置精度，至少應(yīng)關(guān)注如下兩個(gè)方面:

(1)適當(dāng)?shù)纳郎貤l件比如循環(huán)次數(shù)、空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、進(jìn)給速度等，必須在檢測前確定好，保證把因機(jī)床熱狀態(tài)不穩(wěn)定對測量結(jié)果造成的影響降至最低。如果不能獲得合適的升溫條件數(shù)據(jù)，則檢驗(yàn)前不能憑經(jīng)驗(yàn)隨意進(jìn)行升溫，最好從冷態(tài)開始連續(xù)進(jìn)行多次測量，直至獲得穩(wěn)定的測量結(jié)果為止。

(2)目前NDE修正的方法主要采用激光干涉儀的溫度傳感器配件進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)男ЧQ于材料傳感器的數(shù)量、放置位置以及選定的絲杠有效熱膨脹系數(shù)。為了獲取較好的補(bǔ)償效果，建議使用兩件材料傳感器并放置在供方調(diào)試機(jī)床時(shí)的位置進(jìn)行測量，同時(shí)要選擇供方提供的熱膨脹系數(shù)。

［1］王愛玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良，等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［2］龔仲華.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修500例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.