楊秀芝，查吉利，徐紹勇，王興東，蔣宇輝

(1.湖北理工學(xué)院智能輸送技術(shù)與裝備湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北黃石 435003；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081)

0 前言

為迎接中國(guó)制造2025的到來(lái)，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床數(shù)量和質(zhì)量均呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)勢(shì)頭，但與歐美日所產(chǎn)機(jī)床相比精度等方面還存在差距。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床正加速進(jìn)步，以便滿足各方用戶更多需求。其中對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度的檢測(cè)、控制與補(bǔ)償已成為國(guó)際機(jī)床展上各國(guó)機(jī)床制造商展示其機(jī)床核心技術(shù)指標(biāo)和焦點(diǎn)[1]。本文作者針對(duì)所研究的BF-850B立式高速高精度線軌數(shù)控機(jī)床，提出了激光干涉儀與循圓檢測(cè)共同補(bǔ)償策略，對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行補(bǔ)償研究。研究結(jié)果表明：該補(bǔ)償方式可以很好地彌補(bǔ)工作臺(tái)及其他部件帶來(lái)的人工或加工誤差，并根據(jù)計(jì)算機(jī)反饋的信息進(jìn)行補(bǔ)償，效果較好。

1 定位精度的檢測(cè)方法

BF-850B立式數(shù)控機(jī)床主要運(yùn)用于汽車零部件、家電模具和小型模具架加工，機(jī)床主要包括X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸以及主軸和刀庫(kù)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。

此檢測(cè)方法分為兩部分：第一部分為激光干涉儀，進(jìn)行三軸精度檢測(cè)及誤差補(bǔ)償；第二部分為球桿儀，進(jìn)行循圓檢測(cè)及誤差補(bǔ)償。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 基于BF-850B機(jī)床的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 波長(zhǎng)補(bǔ)償

線性定位測(cè)量精度取決于激光波長(zhǎng)，激光波長(zhǎng)測(cè)量精度不僅和激光穩(wěn)頻精度有關(guān)，還與環(huán)境參數(shù)如氣壓、相對(duì)濕度和氣溫有關(guān)[1]，所以在對(duì)機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)及補(bǔ)償之前需對(duì)激光進(jìn)行波長(zhǎng)補(bǔ)償分析。

本文作者所用激光干涉儀具有激光波長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，這樣，可自動(dòng)調(diào)整激光波長(zhǎng)讀數(shù)。

1.2 三軸精度檢測(cè)方法及原理

1.2.1 定位精度檢測(cè)方法

數(shù)控機(jī)床靜態(tài)補(bǔ)償?shù)脑硎窃跀?shù)控系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r下，將測(cè)量行程N(yùn)等分，測(cè)出目標(biāo)位置的誤差值。單向補(bǔ)償方式的補(bǔ)償值參照正向誤差值求得。增量型補(bǔ)償是取相鄰兩點(diǎn)位置偏差的絕對(duì)值作為補(bǔ)償量，輸入到數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)中。待誤差補(bǔ)償生效后，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償功能。

1.2.2 定位精度檢測(cè)原理

實(shí)驗(yàn)中要對(duì)線性測(cè)量進(jìn)行設(shè)定，使用隨附的兩個(gè)外螺釘將其中的一個(gè)線性反射鏡安裝在分光鏡上。這個(gè)組合裝置稱為“線性干涉鏡”，它形成激光光束的參考光路。線性干涉鏡放置在激光頭和線性反射鏡之間的光路上，如圖2所示。

圖1為此次測(cè)試平臺(tái)，采用線性角錐反射鏡系統(tǒng)[1-2]，系統(tǒng)硬件配置如圖3所示。其過(guò)程如下：(1)激光頭發(fā)出的光被分光鏡 A分成兩束光；(2)大約一半激光被射到固定角錐反射鏡 B上，形成參考光束；另一半激光射到移動(dòng)角錐反射鏡C上，形成測(cè)量光束。

圖2 線性干涉原理示意

圖3 實(shí)驗(yàn)基本線性測(cè)量硬件配置

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 230-2 1997中關(guān)于機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的評(píng)定方法，可得單向定位精度的數(shù)學(xué)模型的系列公式[3]如下：

(1)

(2)

單向重復(fù)定位精度為

Ri↑=max[4si↑]

(3)

Ri↓=max[4si↓]

(4)

(5)

(6)

式中：j為循環(huán)次數(shù)；Pi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)序的理論位置；Pij、xij分別為第j次循環(huán)下第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)序的實(shí)際位置和位置偏差。按上述數(shù)據(jù)處理方法，將采集數(shù)據(jù)輸入數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)系統(tǒng)，得到誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

1.3 檢測(cè)實(shí)例分析

圖4 x軸未補(bǔ)償時(shí)位置偏差曲線

文中研究以BF-850B立式高速高精度線軌機(jī)床搭建測(cè)試平臺(tái)，采用激光干涉儀檢測(cè)x軸定位精度，測(cè)量方法為等間距測(cè)量法，螺距誤差補(bǔ)償方式為單向增量型補(bǔ)償。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，然后進(jìn)行誤差補(bǔ)償。數(shù)據(jù)采集方法：將機(jī)器沿著測(cè)試軸移動(dòng)到若干個(gè)不同位置，然后測(cè)量機(jī)器的誤差。也可以采用編寫零件程序的方法，將被測(cè)物從一個(gè)目標(biāo)位置移到下一個(gè)目標(biāo)位置，并在每個(gè)目標(biāo)位置暫停幾秒鐘，在每次暫停過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量[4]。通過(guò)直接對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)，得到未補(bǔ)償時(shí)的定位精度曲線如圖4所示?？芍貉a(bǔ)償前平均位置偏差為0.030 2 mm。系統(tǒng)偏差為0.039 1 mm，定位精度為0.040 5 mm，且曲線呈逐級(jí)遞增趨勢(shì)，說(shuō)明x軸運(yùn)動(dòng)誤差呈升高趨勢(shì)，因此需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

將補(bǔ)償間隔設(shè)為20 mm，在補(bǔ)償起點(diǎn)為0、終點(diǎn)為780 mm處進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)設(shè)置如圖5所示；此處分別采用同一系數(shù)對(duì)所有行程區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)位進(jìn)行一次性線補(bǔ)償和將全測(cè)量行程根據(jù)其誤差特性差別采用若干個(gè)細(xì)分區(qū)間采用不同系數(shù)分別進(jìn)行補(bǔ)償?shù)亩喽问骄€性補(bǔ)償。并基于Python軟件的pycharm集成開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建sklearn線性擬合模型，將得到的誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入至數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，然后按照補(bǔ)償前的方式繼續(xù)操作后得到補(bǔ)償后位置偏差如圖6所示。

圖5 誤差補(bǔ)償調(diào)整圖

圖6 補(bǔ)償后x軸位置偏差曲線

由圖6可知：補(bǔ)償前均偏差范圍為0.003 2 mm，系統(tǒng)偏差為0.004 2 mm，定位精度為0.005 6 mm，且曲線圖偏差范圍在很小范圍內(nèi)波動(dòng)，x軸運(yùn)動(dòng)軌跡已趨于平穩(wěn)，說(shuō)明誤差已得到很好的補(bǔ)償。通過(guò)圖6導(dǎo)出補(bǔ)償后誤差補(bǔ)償值，分析前后兩個(gè)均值補(bǔ)償數(shù)值并對(duì)它們分別做均值計(jì)算得:

補(bǔ)償前均值為

補(bǔ)償后均值為

由此可知：補(bǔ)償后的均值更趨近于0，這證明數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性能得到了較好的提升，從而使得機(jī)床精度明顯提升。

對(duì)比圖4、圖6可以看出：數(shù)控機(jī)床的x軸精度由補(bǔ)償前的均偏差范圍0.030 2 mm提高到補(bǔ)償后的均偏差范圍0.003 2 mm。定位精度和重復(fù)定位精度均有不同程度的提升。由此可知，運(yùn)用激光干涉儀進(jìn)行誤差補(bǔ)償，該補(bǔ)償策略原理正確、效果顯著。

2 球桿儀下循圓檢測(cè)

運(yùn)用球桿儀檢驗(yàn)工作臺(tái)面的水平精度(以xy軸垂直度為例)，補(bǔ)償前如圖7所示。可知：工作臺(tái)面的水平精度為0.005 3 mm，且上下左右4個(gè)方位的差值明顯，需要對(duì)工作臺(tái)的精度進(jìn)行補(bǔ)償，就必須對(duì)工作臺(tái)作真圓度分析。通過(guò)參數(shù)修改和仿真分析，得到誤差補(bǔ)償后的結(jié)果如圖8所示。工作臺(tái)面的水平精度為0.001 0 mm，且上下左右4個(gè)方位的峰值明顯減小。由此證明，運(yùn)用該方法對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行真圓度分析，該補(bǔ)償方法原理正確、效果明顯。

圖7 補(bǔ)償前曲線

圖8 補(bǔ)償后曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)激光干涉儀對(duì)選定機(jī)床進(jìn)行三軸定位精度檢測(cè)，并對(duì)反向間隙誤差和絲杠螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)結(jié)合球桿儀進(jìn)行循圓檢測(cè)及誤差補(bǔ)償。這兩種測(cè)試手段的結(jié)合大大提升了數(shù)控機(jī)床的精度水平；實(shí)驗(yàn)中通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性?？梢?jiàn)，此方法對(duì)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)與誤差補(bǔ)償具有時(shí)效性和通用性，可以大大縮短檢測(cè)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。