◎雷楠南

（三門峽職業(yè)技術學院 機電工程學院,河南 三門峽 472000）

在影響數(shù)控機床加工精度的眾多因素中，機床的動態(tài)誤差是主要因素。因為機床的制造、安裝誤差必然會引起運動的誤差，所以機床運動精度對于精密加工而言不可或缺[1]。在數(shù)控機床運動精度檢測方面，目前應用較為廣泛的是雷尼紹激光干涉儀、球桿儀。與激光干涉儀相比，球桿儀在檢測機床的動態(tài)性能時，通過其圓軌跡測量曲線幾乎可以反映機床中所有誤差項，且具有測量精度較高、成本低[2]等優(yōu)點。此外，利用雷尼紹球桿儀測試軟件，不僅可以自動對測試數(shù)據(jù)進行診斷分析，得到如反向間隙、反向躍沖、伺服不匹配、垂直度、直線度等診斷值，還可分析出各誤差因素所占百分比。對于數(shù)控機床生產(chǎn)廠家而言，通常需要根據(jù)球桿儀診斷結果來確定誤差因素，進而采取合理的措施來調(diào)整數(shù)控機床。在實際應用中，很多時候會利用激光干涉儀配合球桿儀快速地調(diào)整機床。

1 雷尼紹球桿儀測量系統(tǒng)的組成及原理

雷尼紹球桿儀測試系統(tǒng)主要硬件由球桿儀和中心座組成，中心座上裝有中心杯，測量時還需要在機床主軸上安裝工具杯。測試時，首先要在機床上選定測試位置，安裝好中心座及中心杯；然后，在機床主軸上將工具杯安裝到適當?shù)牡侗希蛔詈?，安裝、調(diào)整球桿儀如圖1所示[3]。

球桿儀本身是一個精密線性傳感器，能精確測量出在球桿儀標稱長度內(nèi)的伸縮量[4]。測量時，球桿儀一端吸附在主軸端的工具杯上，另一端吸附在中心座上的中心杯內(nèi)。當機床按照所編制的程序進行360°回轉時，由于機床誤差必然會導致球桿儀桿長發(fā)生微小的伸縮量變化。球桿儀傳感器將這些變化量信號進行處理后與計算機進行無線通信，以QC20-W球桿儀為例，它使用藍牙技術與計算機進行通訊，所以計算機上必須提供藍牙功能。如圖1所示，測量XY平面時，桿長變化值是兩個方向的綜合誤差，所以只能識別出兩個方向的誤差。設中心座上中心杯球心位置為坐標系原點O（0,0），P（x,y）為機床主軸端工具杯上球心位置坐標。當機床運動到目標位置P（x,y）時，設機床實際位置為P'（x',y'），則機床的空間誤差可表示如下[4]：

式中，△x、△y為點P位置的位移誤差。設OP的理想半徑長度為R，△r為P點在半徑方向的誤差。因為測試過程中必然存在誤差，所以有下式成立：

如果不考慮二階以上的高次誤差項，且因為R=x2+y2，由（2）式可以簡化如下：

又因為x=Rcosθ，y=sinθ，所以可知點P處的球桿儀測試半徑誤差關系式如下：

公式（4）為球桿儀測試的基本方程式，在球桿儀測試過程中，沿360°圓周測試出所有，即可得到圓度誤差曲線。

3 球桿儀測試程序編制

球桿儀在測試過程中，機床在XY平面上驅動球桿儀繞中心座固定組件做360°旋轉進行數(shù)據(jù)采集。因此，需編制測試程序使數(shù)控機床驅動球桿儀運行360°圓軌跡。為了保證球桿儀在數(shù)據(jù)采集圓軌跡時獲得恒定速度，通常使數(shù)據(jù)采集前后各有180°的角度越程。因此在編制數(shù)控機床程序時，要保證球桿儀在逆時針和順時針方向分別連續(xù)運行兩個圓周。數(shù)控程序編制時，既可通過手工編寫典型的測試程序也可利用球桿儀測試軟件自動生成測試程序。不管采用哪種編程方式，在測試前，一定要對機床運行程序進行模擬調(diào)試，確保機床運動軌跡正確后才能進行數(shù)據(jù)采集測試。編程時，通常用G54指令將機床原點轉移到球桿儀中心座中心球的球心位置。下述程序為測試MVC400數(shù)控加工中心Y工作臺平面圓度時所編制的測試程序。

圖1 球桿儀測試系統(tǒng)

4 球桿儀測試診斷及誤差消除措施

以MVC400數(shù)控加工中心為例進行球桿儀測試，測試系統(tǒng)硬件安裝過程如下：首先，在工作臺XY平面上安裝好中心座及中心杯；然后，在機床主軸上安裝好工具杯；最后安裝調(diào)整好QC20-W球桿儀，使球桿儀兩端中心球分別吸附在中心杯和工具杯。因為球桿儀標準長度為150mm，測試起始角度為0°，終止角度為360°，越程角度為180°，進給率1000mm/min，所以在球桿儀測試軟件中需要設置相關參數(shù)，完成設置后即可打開藍牙通信聯(lián)機進行圓度測量。在測試MVC400數(shù)控加工中心工作臺XY平面圓度時，中心座安裝在工作臺的中心位置，測試結果如圖2所示。在圖2中，不僅可以觀察到測試的圓度為44.2um，而且可以看到各項誤差診斷值及其在影響圓度誤差因素中所占的百分比和誤差診斷圖形。引起圓度誤差的因素中，X、Y軸垂直度誤差為101.9um/m，占比35%；比例不匹配誤差為17.2um，占比20%；反向躍沖和反向間隙分別占15%和8%。

4.1 垂直度誤差原因及消除

查閱球桿儀診斷手冊[5]，可知垂直度誤差為機器誤差，其誤差圖形呈橢圓形沿45°或135°對角方向拉伸變形如圖3所示。垂直度誤差圖形還具有在順時針和逆時針方向測試時，軸的拉伸方向相同、拉伸量不受進給率的影響的特點[6]。當垂直度誤差為正值表示兩軸正向夾角超過90°，為負值表示兩軸正向夾角小于90°。此處，垂直度誤差診斷值為101.9um/m，且圖2中誤差圖形與圖3類似，表明MVC400數(shù)控加工中心X軸與Y軸夾角大于90°。因為該數(shù)控加工中心使用時間較長，所以導致垂直度誤差的可能原因有如下幾種：機床導軌磨損導致的在坐標軸運動時軸中有一定間隙；機床軸剛性不夠導致某些部位不直；兩軸間存在局部彎曲或機床軸可能整體不直。針對上述原因，可采取的措施是在機床的各部位重復測試，進一步判斷垂直度誤差是否僅在局部發(fā)生還是影響整臺機床。如果誤差僅為局部，則在加工零件時應使用機床上不受垂直度誤差影響的部位來加工。如果整臺機床均受垂直度誤差的影響，那么則應重新調(diào)整機床坐標軸。如果機床導軌出現(xiàn)嚴重磨損，則需要更換導軌。

圖2 XY平面球桿儀診斷值及誤差圖形

4.2 比例誤差原因及消除

比例不匹配又稱比例誤差，指的是測試過程中被測軸間的行程差，其誤差圖形也為橢圓形如圖4所示。比例不匹配圖形的特點是沿0°或90°軸方向拉伸變形，拉伸變形不受數(shù)據(jù)采集順時針或逆時針方向的影響，且拉伸變形量大小不受進給率的影響。比例不匹配誤差可通過將X軸直徑減去Y軸直徑得到，單位為微米。如果測得的比例不匹配值為正值，那么X軸移動距離超過Y軸；反之，則Y軸移動距離超過X軸。此處，比例不匹配值為17.2um，可見X軸移動距離超過Y軸。導致比例不匹配誤差的可能原因有如下幾種：滾珠絲杠故障導致絲杠螺距誤差；導軌不直或剛性不足導致機床可能存在角度誤差，使X軸和Y軸在移動時傾斜出測試平面。針對比例不匹配誤差原因，可采取的措施是檢查滾珠絲杠及機床導軌是否良好，若存在故障則應通過調(diào)整絲杠螺距誤差或更換導軌來消除比例不匹配誤差，進而提高機床運動精度。

4.3 反向間隙、躍沖誤差原因及消除

機床反向間隙通常是由滾珠絲杠螺母副間隙、導軌副間隙等導致的機器在被驅動換向時出現(xiàn)的運動停頓現(xiàn)象?？赡茉蛴腥缦聨追N：滾珠絲杠端部浮動、驅動螺母磨損、導軌磨損或滾珠絲杠預緊力過大引起絲桿扭轉等。因為機械零部件的制造、裝配誤差等原因，反向間隙不可能被全部消除，只要使其滿足機床運動精度要求即可。若反向間隙過大時，一般需要根據(jù)測量的誤差值大小，先更換磨損的機器零件；然后，可利用數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補償方法進一步減小反向間隙誤差。由圖2中的診斷值可知，X軸反向間隙誤差值為3.4um且影響因素百分比僅占8%，能夠滿足機床運動精度要求。此外，由于影響機床精度的各誤差因素很多是相關聯(lián)的，所以通過垂直度誤差及比例誤差的消除，可能會使反向間隙誤差值進一步減少,所以此處不必單獨考慮消除反向間隙誤差。

圖3 垂直度誤差圖形

圖4 比例誤差圖形

反向躍沖指的是當機床坐標軸向某一方向驅動，然后必須向相反方向反向移動，在換向處機床不是平穩(wěn)反向運動而可能短時的黏性停頓。引起這種黏性停頓現(xiàn)象的原因有如下幾種：該坐標軸驅動電機扭矩不夠，造成在換向處由于摩擦力的方向發(fā)生改變而出現(xiàn)黏性停頓；機床在進行反向間隙補償時伺服響應時間不準確，從而導致機床不能準時地對反向間隙施加補償而出現(xiàn)停頓；伺服響應在伺服換向點很差，導致坐標軸運動在換向時出現(xiàn)短暫延時。反向躍沖的消除方法如下：利用機床控制系統(tǒng)的去除尖峰能力來限制反向躍沖的影響；或者采用各種不同機器進給率進行一系列測試，找出該機器上反向躍沖對加工影響最小的進給率，以便在圓弧插補過程中采用適合精加工的最佳進給率。觀察圖2中的診斷值可知，X軸反向躍沖誤差最大值為4.0um且影響因素百分比僅占9%，Y軸反向躍沖誤差最大值為2.5um且影響因素百分比僅占6%，針對該機床實際情況，可進行伺服優(yōu)化，通過調(diào)整伺服響應時間來減小反向躍沖的影響。

5 結束語

利用球桿儀測量數(shù)控機床誤差是一種效率高、操作簡便且測量結果具有較高可信度的方法。球桿儀不僅能快速地對數(shù)控機床精度進行檢測，還能分析出引起機床圓度誤差的各誤差項誤差值及其所占比例。在球桿儀診斷手冊中，針對各種誤差分析了誤差原因并提供了誤差消除的措施。對于從事數(shù)控機床生產(chǎn)、調(diào)試、維修的一線技術人員而言，可根據(jù)測試結果結合球桿儀診斷手冊中的誤差消除措施對各誤差逐項消除，以提高機床調(diào)試工作效率。

參考文獻:

[1]殷鵬飛,楊林.GCMT2500復合式數(shù)控機床的精度檢測與誤差補償[J].現(xiàn)代制造技術與裝備,2016(10）:20.

[2]張大衛(wèi)，商鵬等.五軸數(shù)控機床轉動軸誤差元素的球桿儀檢測方法[J].中國機械工程,2008（22）:2737-2741.

[3]虞敏,趙建華，邱明勇，等.基于球桿儀的主軸熱誤差檢測及識別方法[J].機械制造，2015,53（11）：86-88.

[4]譚智,孫名佳.基于球桿儀的某立式加工中心精度評價和優(yōu)化[J].金屬加工冷加工，2015（2）：38-39.

[5]QC20-W球桿儀培訓手冊[Z].

[6]石云，鄭新勝.球桿儀檢測數(shù)控機床典型誤差的調(diào)整方法[J].金屬加工冷加工，2011（23）：56.