雷楠南

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 三門峽 472000 )

因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度決定著產(chǎn)品的加工質(zhì)量，所以經(jīng)常用定位精度和重復(fù)定位精度來評(píng)定數(shù)控機(jī)床的加工性能[1]。導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度差的因素可分兩類，一類為數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件制造和裝配誤差，如滾珠絲杠副的制造精度不高、機(jī)械裝配精度低[2]；另一類為數(shù)控系統(tǒng)的控制精度低而引起運(yùn)動(dòng)精度不高。文中提到的YK7350數(shù)控磨齒機(jī)為精密數(shù)控加工設(shè)備，配置西門子828D數(shù)控系統(tǒng)且在磨齒機(jī)每個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)方向?qū)ｉT配置了光柵尺，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。該磨齒機(jī)所選用的機(jī)械部件如滾珠絲杠、導(dǎo)軌等都經(jīng)過嚴(yán)格檢查并由經(jīng)驗(yàn)豐富的工人師傅進(jìn)行規(guī)范安裝，但是在齒輪磨削加工過程中，齒形發(fā)生錯(cuò)誤。

為此，文章以西門子828D數(shù)控系統(tǒng)為例，決定利用激光干涉儀來檢驗(yàn)該磨齒機(jī)的定位精度以便分析誤差產(chǎn)生的原因，期望通過螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償來提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度，滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求[3]。

1 YK7350數(shù)控磨齒機(jī)定位精度測(cè)量

1.1 雷尼紹激光干涉儀測(cè)試系統(tǒng)安裝

因?yàn)樵撃X機(jī)調(diào)試完成后，未經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械磨合，所以為保證激光干涉儀測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性，必須對(duì)該磨齒機(jī)進(jìn)行空運(yùn)行。通常，只有在機(jī)床充分潤(rùn)滑、空運(yùn)行機(jī)械磨合后，利用激光干涉儀測(cè)試得到的數(shù)據(jù)才是可靠、真實(shí)的。采用雷尼紹激光干涉儀測(cè)量數(shù)控機(jī)床定位精度時(shí)，第一步要架設(shè)好激光干涉儀，做好測(cè)試前的準(zhǔn)備工作。激光干涉儀架設(shè)的關(guān)鍵是根據(jù)被測(cè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)方向選擇好激光頭、反射鏡及干涉鏡的安裝位置；以普通的三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床定位精度測(cè)量為例，在測(cè)量X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的定位精度時(shí)，激光頭及三腳架調(diào)整好后，測(cè)量過程中可保持其位置不變，只需改變反射鏡安裝位置、重新組裝干涉鏡便可實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)軸的測(cè)量，激光頭及測(cè)量鏡組的安裝，如圖1所示。

圖1 激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝方法

在激光干涉儀測(cè)試系統(tǒng)架設(shè)完成后，第二步是激光干涉儀的準(zhǔn)直調(diào)光工作。激光準(zhǔn)直的目的是保證激光頭發(fā)射出的激光經(jīng)過線性干涉鏡入射到線性反光鏡，從反射鏡反射回來的光與基準(zhǔn)光束重合。為了保證激光準(zhǔn)直工作的順利進(jìn)行，在調(diào)光時(shí)，首先要借助水平儀調(diào)整激光頭盡量使其保持水平；接著打開激光頭電源預(yù)熱，調(diào)整安裝有反射鏡的磁性表座位置，保證激光頭光束能照射在裝有白色光靶的反射鏡上。然后將安裝有線性干涉鏡的磁性表座安裝在機(jī)床不可動(dòng)部件上，并調(diào)整磁性表座使激光頭光束能照射在裝有白色光靶的干涉鏡上，使入射光點(diǎn)位于光靶中心。在這一過程中要注意安裝線性干涉鏡的機(jī)床不可動(dòng)部件要有良好的基準(zhǔn)平面，否則容易造成調(diào)光困難。最后Z坐標(biāo)軸定位精度測(cè)量去掉反射鏡和干涉鏡上的光靶，移動(dòng)機(jī)床被測(cè)坐標(biāo)軸，在測(cè)量行程內(nèi)觀察激光頭光標(biāo)上光束準(zhǔn)直情況，可以利用激光頭后側(cè)的調(diào)整旋鈕來進(jìn)行微調(diào)，最終使光點(diǎn)重疊即可完成準(zhǔn)直調(diào)光工作。因?yàn)閅K7350磨齒機(jī)的X軸為上下移動(dòng)，Z軸前后移動(dòng)，所以X坐標(biāo)軸定位精度測(cè)量時(shí)，激光頭、線性干涉鏡、反射鏡的安裝位置如圖2所示；Z坐標(biāo)軸定位精度測(cè)量時(shí)，激光頭、線性干涉鏡、反射鏡的安裝位置如圖3所示。

圖2 Z坐標(biāo)軸定位測(cè)量激光干涉儀安裝位置

圖3 Z坐標(biāo)軸定位精度測(cè)量激光干涉儀安裝位置

1.2 定位精度測(cè)試方案、程序編制及測(cè)量

在激光干涉儀測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試完畢后，還需編制被測(cè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)程序。編制程序的要求是：機(jī)床從坐標(biāo)軸要求補(bǔ)償?shù)钠瘘c(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)至補(bǔ)償?shù)慕K點(diǎn)，每間隔一個(gè)測(cè)量間距，停止約4 s以便測(cè)試系統(tǒng)采集記錄數(shù)據(jù)。因?yàn)槌醪脚袛郰K7350數(shù)控磨齒機(jī)的加工精度不達(dá)標(biāo)是由機(jī)床定位精度差引起的，所以為便于后續(xù)補(bǔ)償工作，選取的測(cè)量間隔越小，螺距誤差補(bǔ)償后定位精度也就越高[4-5]，此處選用的補(bǔ)償間隔為10 mm。

以磨齒機(jī)X坐標(biāo)軸為例進(jìn)行定位精度測(cè)試時(shí)，該軸運(yùn)動(dòng)行程為500 mm，測(cè)量定位點(diǎn)間距若取10 mm，要求被測(cè)坐標(biāo)軸從X坐標(biāo)軸原點(diǎn)位置開始直線運(yùn)動(dòng)定位，每次運(yùn)動(dòng)10 mm、停止4 s時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，直至運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)500 mm位置；然后，再?gòu)男谐探K點(diǎn)500 mm處運(yùn)動(dòng)到坐標(biāo)軸原點(diǎn)位置。由于被測(cè)X坐標(biāo)軸原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置都需要測(cè)量，所以編程時(shí)必須使X軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)跨越這兩點(diǎn)位置，如在正向運(yùn)動(dòng)測(cè)量X0坐標(biāo)位置時(shí)，應(yīng)從X-2位置運(yùn)動(dòng)到X0位置；在負(fù)向運(yùn)動(dòng)測(cè)量X500位置時(shí)，應(yīng)從X-502位置運(yùn)動(dòng)到X500位置。若采用國(guó)家GB/17421.2—2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床定位精度評(píng)定時(shí)，要求數(shù)控機(jī)床被測(cè)坐標(biāo)軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)5次，所以編寫的參考測(cè)量程序如下[6]。

DEF INT TIME=4；(目標(biāo)位置停留4 s時(shí)間)

R2=0；(R2為測(cè)量的次數(shù)，初始值為0)

G53 G90 G1 X-2 F4000；(運(yùn)動(dòng)到正方向進(jìn)給的起始位置X-2)

R1=0；(R1為測(cè)量的的點(diǎn)數(shù))

X0 F4000； (運(yùn)動(dòng)到第1個(gè)目標(biāo)位置X0)

G4 F=TIME；

AAA：

G91 X10；(運(yùn)動(dòng)到間隔10 mm的下1個(gè)目標(biāo)位置)

G4 F=TIME；

R1=R1+1；

STOPRE

IF R1<51 GOTOB AAA；(測(cè)量完51個(gè)目標(biāo)位置后繼續(xù)往下執(zhí)行程序)

G90 X502；(運(yùn)動(dòng)到負(fù)方向進(jìn)給的起始位置X502)

G4 F=TIME；

X500；

G4 F=TIME；

BBB：

G91 X-10；(運(yùn)動(dòng)到間隔10 mm的下1個(gè)目標(biāo)位置)

G4 F=TIME；

R1=R1-1；

STOPRE

IF R1>0 GOTOB BBB；(測(cè)量完51個(gè)目標(biāo)位置后繼續(xù)往下執(zhí)行程序)

R2=R2+1；

STOPRE

IF R2<5 GOTOB CCC；(測(cè)量5次)

M30；

對(duì)磨齒機(jī)的Z坐標(biāo)軸進(jìn)行定位精度測(cè)試時(shí)，該軸運(yùn)動(dòng)行程為90 mm，測(cè)量定位點(diǎn)間距若取10 mm，則要求從Z坐標(biāo)軸原點(diǎn)位置開始直線運(yùn)動(dòng)定位，每次運(yùn)動(dòng)10 mm、停止4 s時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，直至運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)90 mm位置；然后，再?gòu)男谐探K點(diǎn)90 mm處運(yùn)動(dòng)到坐標(biāo)軸原點(diǎn)位置。同理，因?yàn)閆坐標(biāo)軸原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置都需要測(cè)量，所以編程時(shí)必須使Z軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)跨越這兩點(diǎn)位置，Z軸測(cè)量程序編制方法與X軸類似。

在測(cè)量程序編制完成并經(jīng)過檢查無誤后，即可進(jìn)行定位精度實(shí)測(cè)。通過對(duì)X坐標(biāo)軸定位精度測(cè)量，在機(jī)床運(yùn)動(dòng)行程0至500 mm內(nèi)，僅有部分目標(biāo)位置的定位誤差值較大，且最大值為0.012 mm，其余目標(biāo)位置的誤差值基本都在0.001 mm至0.005 mm。因此，可判定X軸定位精度對(duì)磨齒機(jī)加工精度影響不大。而通過對(duì)Z坐標(biāo)軸定位精度的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，Z軸定位誤差值較大，最大值為0.03 mm，且誤差呈累積增大現(xiàn)象。選取Z軸2次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，繪制出Z軸的定位誤差曲線如圖4所示，由此可判定該磨齒機(jī)加工齒輪所產(chǎn)生的齒形誤差是由Z軸定位精度差引起的，可通過數(shù)控系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償來消除機(jī)床誤差。

圖4 Z軸定位誤差曲線

2 數(shù)控系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償及定位精度重新測(cè)定

2.1 誤差補(bǔ)償表的生成

因?yàn)槲鏖T子828D數(shù)控系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償方式為絕對(duì)值補(bǔ)償，所以在利用雷尼紹數(shù)據(jù)分析軟件時(shí)必須選擇“均值補(bǔ)償”“絕對(duì)方式”來生成螺距誤差補(bǔ)償表。利用數(shù)據(jù)分析軟件分別對(duì)X、Z兩個(gè)坐標(biāo)軸的定位精度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，生成的誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 X軸誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)

表2 Z軸誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)

2.2 螺距誤差與反向間隙補(bǔ)償方法

對(duì)西門子828D數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償時(shí)，必須將螺距誤差補(bǔ)償生效參數(shù)32700設(shè)置為0，然后才可將誤差補(bǔ)償值寫入[7]。此時(shí)，通過數(shù)控系統(tǒng)界面上的菜單選擇→調(diào)試→系統(tǒng)數(shù)據(jù)→NC數(shù)據(jù)→NC生效數(shù)據(jù)→測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償[8]，找到相應(yīng)坐標(biāo)軸填入誤差補(bǔ)償值。打開相應(yīng)的補(bǔ)償表如表3所示，必須先寫入補(bǔ)償數(shù)據(jù)的起始位置、補(bǔ)償數(shù)據(jù)的終止位置、補(bǔ)償間隔及補(bǔ)償軸的屬性值。當(dāng)這幾個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。

表3 828D系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

以X坐標(biāo)軸為例，在寫入補(bǔ)償值時(shí)，因?yàn)檠a(bǔ)償數(shù)據(jù)的起始位置為0、補(bǔ)償數(shù)據(jù)的終止位置500、補(bǔ)償間隔為10，補(bǔ)償軸為直線軸，所以有：AA_ENC_COMP_STEP[0,AX1]=10；表示補(bǔ)償間隔為10 mm。 AA_ENC_COMP_MIN[0,AX1]=0；表述補(bǔ)償數(shù)據(jù)的起始位置為X=0。AA_ENC_COMP_MAX[0,AX1]=500；表示補(bǔ)償數(shù)據(jù)的終止位置為X=500。AA_ENC_COMP_IS_MODULO[0,AX1]=0表示補(bǔ)償軸為直線軸。 這幾個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)設(shè)置完成后，補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)會(huì)自動(dòng)生成，此時(shí)只需將表1中的誤差值寫入對(duì)應(yīng)的51個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)即可。Z坐標(biāo)軸補(bǔ)償方法與X軸相同，只需將表2中的誤差值寫入對(duì)應(yīng)的19個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)即可。最后，再將32700設(shè)置為1，然后重啟系統(tǒng)，返回參考點(diǎn)后補(bǔ)償值生效。又因?yàn)閿?shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中反向間隙對(duì)定位精度的影響，還需將反向間隙補(bǔ)償值寫入?yún)?shù)32450，使反向間隙補(bǔ)償生效。在對(duì)X、Z坐標(biāo)軸完成螺距誤差補(bǔ)償且補(bǔ)償數(shù)據(jù)生效后，重新對(duì)X、Z坐標(biāo)軸進(jìn)行定位精度測(cè)量及數(shù)據(jù)分析，選取2次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到定位誤差曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 X軸定位誤差曲線

圖6 Z軸定位誤差曲線

觀察圖4所示的X軸定位精度曲線，可見經(jīng)過系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償后，在坐標(biāo)軸0至500 mm運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)，最大的位置誤差值為0.004 mm，且大部分目標(biāo)點(diǎn)的位置誤差值介于-0.003 mm至0.002 mm之間，沒有誤差積累的情況。在圖5所示的Z軸定位精度曲線中，經(jīng)過系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償，在坐標(biāo)軸0至90 mm運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)，最大的位置誤差值為-0.003 mm，且大部分目標(biāo)點(diǎn)的位置誤差值介于-0.002 mm至0.001 mm之間，沒有誤差積累的情況。相比較于Z軸補(bǔ)償前誤差逐漸積累增大至0.03 mm的情況，經(jīng)過螺距誤差補(bǔ)償后機(jī)床運(yùn)動(dòng)的定位精度顯著提高。

3 結(jié)論

在利用激光干涉儀測(cè)試數(shù)控機(jī)床定位精度的過程中，關(guān)鍵是針對(duì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)情況架設(shè)干涉儀、組裝干涉鏡組，重點(diǎn)是激光準(zhǔn)直調(diào)光。測(cè)試定位精度的目的是判斷機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度是否達(dá)標(biāo)，由于數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件、系統(tǒng)控制精度一般較高，其運(yùn)動(dòng)定位誤差值一般在0.01 mm左右。通過對(duì)YK7350數(shù)控磨齒機(jī)定位精度測(cè)試分析及螺距誤差補(bǔ)償，重新對(duì)X、Z軸進(jìn)行定位評(píng)定，評(píng)定結(jié)果為Z軸最大誤差值為0.003 mm，X軸最大誤差值為0.004 mm,且在磨齒機(jī)加工行程段的誤差值為0.002 mm，機(jī)床精度大幅提高。經(jīng)過磨齒加工驗(yàn)證，加工出的齒輪達(dá)到用戶要求。需要注意的是在測(cè)試新機(jī)床時(shí)一定要先進(jìn)行機(jī)床空運(yùn)行，保證充分潤(rùn)滑、足夠的機(jī)械磨合時(shí)間，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性。