吳玉亮，曹文智，肖飛，季柏樹

(通用技術(shù)集團(tuán)沈陽機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110142)

0 前言

目前針對數(shù)控機(jī)床運動過程中的單項誤差測量和補(bǔ)償技術(shù)有很多[1-3]，例如利用激光干涉儀進(jìn)行機(jī)床單項幾何誤差的測量和定位誤差補(bǔ)償，利用球桿儀進(jìn)行機(jī)床聯(lián)動精度的測量等。這些技術(shù)在機(jī)床單項誤差的辨別和矯正中起到了關(guān)鍵性的作用，也大大提高了機(jī)床的單項精度。這些技術(shù)已在國內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)、加工企業(yè)得到了廣泛的推廣和使用。但是針對機(jī)床空間誤差綜合性的測量手段和補(bǔ)償技術(shù)，如利用激光跟蹤儀進(jìn)行空間誤差測量與補(bǔ)償技術(shù)，雖然已經(jīng)較成熟并在國外機(jī)床廠家普遍應(yīng)用，但在國內(nèi)機(jī)床制造和生產(chǎn)中卻應(yīng)用較少[4 -7]。

基于此，本文作者闡述了激光跟蹤儀的空間誤差測試原理，給出了基于激光跟蹤儀的機(jī)床空間誤差測試步驟和方法。并在一臺橋式五軸加工中心上通過激光跟蹤儀測量機(jī)床空間誤差，辨別出機(jī)床的21項空間誤差，同時生成誤差補(bǔ)償文件，通過西門子VCS補(bǔ)償功能，實現(xiàn)機(jī)床空間誤差的補(bǔ)償，最后對比了補(bǔ)償前后21項誤差差異，并通過體對角線定位測量進(jìn)行了補(bǔ)償效果的驗證。文中的實踐工作能給機(jī)床行業(yè)從業(yè)人員提供精度提升的路徑參考。

1 激光跟蹤儀測量原理

1.1 數(shù)控機(jī)床平動軸21項誤差

機(jī)床平動軸運動時，每個軸由于制造和裝配本身的結(jié)構(gòu)誤差存在，都會有6個自由度的微小誤差，3個平動軸共18項誤差，而且每2個軸的軸間還有垂直度誤差的存在，所以機(jī)床3個平動軸共21項誤差[8]。依據(jù)ISO230-1的定義，機(jī)床3個平動軸運動時的21項誤差如表1所示。

表1 三軸機(jī)床21項幾何誤差

1.2 激光跟蹤儀測量原理

文中采用的測試設(shè)備是Etalon公司生產(chǎn)的 LaserTRACER型號的激光跟蹤儀，如圖1所示。它通過專用的TRAC-CAL軟件能夠進(jìn)行機(jī)床空間誤差的測量。其測量原理為：在機(jī)床運行空間內(nèi)，采用GPS的多點定位測量原理，并結(jié)合干涉儀通過長度測量，獲得機(jī)床運行點位的大量測試數(shù)據(jù)，最后利用測量軟件集成的誤差分離算法計算機(jī)床空間誤差。

圖1 LaserTRACER型號的激光跟蹤儀

以機(jī)床3個平動軸運行空間為例，當(dāng)進(jìn)行測量時，把3個平動軸運動行程所構(gòu)成的空間規(guī)劃成以一定步距間隔的多個小柵格空間點，激光跟蹤儀放在機(jī)床測量空間的一個角點上，其內(nèi)部的跟蹤機(jī)構(gòu)可以使跟蹤儀內(nèi)置的激光干涉儀自動實時跟蹤安裝在機(jī)床主軸刀具的反射鏡。當(dāng)機(jī)床以一定步距斷續(xù)地逐點沿規(guī)劃步距柵格移動時，干涉儀將自動采集每一固定點反射鏡到激光跟蹤儀的長度值。先自動計算出跟蹤儀的實際位置，再通過將跟蹤儀放置在測量空間的不同角點上(最少4個，可以通過調(diào)節(jié)高度改變位置)分別跟蹤安裝在主軸上的反射鏡，進(jìn)行多次規(guī)劃空間內(nèi)每個柵格固定點的長度測量，并利用GPS三點定位原理能夠準(zhǔn)確測量機(jī)床各柵格點的實際位置，最終通過測量軟件中集成的空間誤差分離算法模型對不同跟蹤儀位置及固定點長度的大量測試數(shù)據(jù)及理論數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，計算出機(jī)床 3 個平動軸的包括定位、直線度、角度及垂直度等21項誤差。測量原理如圖2所示。

2 數(shù)控機(jī)床空間誤差測量與辨別

基于激光跟蹤儀配合TRAC-CAL專用空間誤差測量軟件，本文作者對一臺橋式五軸加工中心的平動軸空間誤差進(jìn)行了綜合測量和誤差辨別。激光跟蹤儀測量行程不大于20 m，精度較高，位移測量精度可達(dá)到(0.2±0.3) μm /m。

機(jī)床x軸為橋梁結(jié)構(gòu)，行程為-6 000～0 mm；y軸為橫梁結(jié)構(gòu)，行程為-4 350～0 mm；z軸為滑枕結(jié)構(gòu)，行程為-1 350～0 mm。圖3為測試現(xiàn)場。

圖3 測試現(xiàn)場

2.1 空間誤差測量步驟

通過TRAC-CAL測量軟件，能夠?qū)す飧檭x空間誤差測量軌跡進(jìn)行規(guī)劃，同時可以將規(guī)劃軌跡生成西門子數(shù)控系統(tǒng)可識別的測量運行NC程序，并通過測量數(shù)據(jù)采集和評估，分離出機(jī)床21項幾何誤差，同時能夠生成綜合誤差的補(bǔ)償文件?？臻g誤差測量通常應(yīng)遵循以下步驟：

(1)對機(jī)床平動軸坐標(biāo)進(jìn)行配置。依據(jù)機(jī)床本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在測試軟件中，選擇合適的機(jī)床類型，從工件側(cè)至刀尖側(cè)方向選擇機(jī)床平動軸坐標(biāo)順序等；

(2)對機(jī)床測量空間進(jìn)行定義，包括坐標(biāo)軸行程的最大、最小值，規(guī)劃軌跡起、終位置，規(guī)劃范圍內(nèi)各軸每步的步長(規(guī)劃的網(wǎng)格距離)，單軸補(bǔ)償間隔等；

(3)對使用的激光跟蹤儀、反射鏡型號和序列號進(jìn)行選擇和填寫，進(jìn)行機(jī)床材料溫度系數(shù)的填寫(這樣可以將測量誤差在20 ℃下折算，提供測量基準(zhǔn)，減小長時間測量溫度變化帶來的誤差)；

(4)進(jìn)行激光跟蹤儀本身不確定性參數(shù)的選擇和設(shè)置，保證測量有較高精度；

(5)根據(jù)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償需求，選擇機(jī)床動態(tài)模型，通常選擇全剛體模型(辨別21項誤差)或簡化剛體模型(辨別17項誤差)；

(6)在機(jī)床坐標(biāo)系下，進(jìn)行激光跟蹤儀/反射鏡位置的設(shè)定(全剛模型一般6個位置，不位于同一平面)，對每一位置進(jìn)行測量軌跡的規(guī)劃，并計算21項幾何誤差的不確定性，不確定度通常要小于2 μm，完成測量規(guī)劃；

(7)利用蒙特卡羅法進(jìn)行測量軌跡規(guī)劃仿真，優(yōu)化測量軌跡，對測量的整個規(guī)劃進(jìn)行模擬和評價及誤差不確定度的確定；

(8)根據(jù)測量的規(guī)劃生成西門子840D系統(tǒng)機(jī)床運行的 CNC 程序；

(9)連接激光跟蹤儀，數(shù)控機(jī)床執(zhí)行規(guī)劃的CNC 程序，進(jìn)行規(guī)劃軌跡的實際位置測量，得到誤差測量數(shù)據(jù)；

(10)通過軟件集成的誤差分析算法評估測量數(shù)據(jù)，并得到空間誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)，生成 VCS 空間誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)文件，如 VCS6_1.spf。

2.2 空間誤差測量結(jié)果

依據(jù)上述空間誤差測量的步驟要求，橋式五軸加工中心的3個平動軸空間誤差測量軌跡規(guī)劃相應(yīng)確定參數(shù)有：

(1)平動軸坐標(biāo)順序為x、y、z；

(2)測量及規(guī)劃范圍：x(-6 000～0 mm)、y(-4 350～0 mm)、z(-1 350～0 mm)，測量步距200 mm，補(bǔ)償間隔10 mm；

(3)選擇全剛體模型，通過激光跟蹤儀和反射鏡6個不同位置的組合，完成綜合誤差軌跡規(guī)劃。圖4所示是6個位置的規(guī)劃軌跡。

通過執(zhí)行規(guī)劃軌跡的NC程序，激光跟蹤儀測量辨別的機(jī)床21項誤差如表2所示，同時能獲得21項誤差的變化趨勢，如x軸定位誤差變化趨勢如圖5所示。

表2 測量的機(jī)床21項誤差

3 西門子VCS空間誤差補(bǔ)償

VCS是為了實現(xiàn)機(jī)床空間誤差補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)功能模塊，它可以通過讀取拷貝到數(shù)控系統(tǒng)制造商循環(huán)文件夾下的補(bǔ)償文件，根據(jù)補(bǔ)償文件中坐標(biāo)軸和誤差值的關(guān)系，驅(qū)動相應(yīng)的坐標(biāo)軸作補(bǔ)償運動，從而進(jìn)行刀尖點和工件作用點相互位置及矢量誤差綜合矯正和補(bǔ)償。

應(yīng)用西門子VCS功能首先要獲得功能授權(quán)，再進(jìn)行相應(yīng)的配置。例如，裝載與 NCU 軟件版本對應(yīng)的該選項的 VCS 編譯循環(huán)；拷貝 SGUD 文件并激活；設(shè)置通用機(jī)床數(shù)據(jù) MD19610、MD19300、MD32750、MD28090、MD28100、MD28105、MD28254、MD28255、MD60981、MD62640、MD62641等。

本文作者利用VCS功能已經(jīng)配置完成的數(shù)控系統(tǒng)開展機(jī)床空間誤差補(bǔ)償[9]，將TRAC-CAL測量軟件完成誤差變化趨勢及誤差值的辨別和確定后生成的西門子VCS補(bǔ)償文件“VCS6_1.spf”拷貝到“系統(tǒng)數(shù)據(jù)/NC數(shù)據(jù)/制造商循環(huán)”目錄下，VCS補(bǔ)償文件的命名必須遵循當(dāng)前配置設(shè)定的編號要求。VCS6_1.spf文件如圖6所示。

圖6 VCS6_1.spf文件截圖

通過將“VCS_FILE_TABLE_ENTRY_APPLY”參數(shù)置1，開啟VCS補(bǔ)償功能。補(bǔ)償生效后可以在“VCS_COMP_VAL_GEO”參數(shù)下，查看當(dāng)前補(bǔ)償值。

4 空間誤差的補(bǔ)償驗證

4.1 補(bǔ)償前后21項誤差對比

根據(jù)上述空間誤差測量和VCS補(bǔ)償方法，在完成機(jī)床空間誤差測量和西門子VCS補(bǔ)償功能生效的前提下，利用TRAC-CAL軟件測量補(bǔ)償后的機(jī)床21項空間誤差，并與補(bǔ)償前的各項誤差進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖7—10所示。

圖7 補(bǔ)償前后定位誤差

圖9 補(bǔ)償前后角度誤差

圖10 補(bǔ)償前后垂直度誤差

從結(jié)果對比來看：有16項誤差經(jīng)過補(bǔ)償?shù)玫礁纳?，其中軸間的垂直度誤差，x軸、y軸角度誤差，x軸、y軸直線度誤差減小較為明顯。例如，xy的軸間垂直度δCOy從-33.1″減小到2″，x軸角度誤差從12.8″減小到2.4″等。通過補(bǔ)償大大提高了機(jī)床的部分幾何精度。

同時，還能看到有5項誤差較補(bǔ)償前精度變差，其中x軸、y軸的定位誤差exx、eyy增大較多。針對定位誤差補(bǔ)償后增大問題，作者認(rèn)為有兩個原因：(1)根據(jù)測量時環(huán)境溫度傳感器的指示，兩次測量的環(huán)境溫度大約存在1.2 ℃的溫差，定位誤差又極易受到溫升變化的影響，使得測量得到的定位誤差包含了進(jìn)給軸熱變形誤差；(2)激光跟蹤儀空間誤差測量主要是進(jìn)行空間固定柵格點的綜合誤差測量，然后利用數(shù)學(xué)算法模型進(jìn)行大量的測量數(shù)據(jù)各項誤差的分離，數(shù)學(xué)模型難免存在分離精度問題，給某些幾何誤差分離帶來一定額外偏差。

4.2 空間體對角線定位測量結(jié)果對比

空間體對角線定位測量已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)床空間精度快速測量和評定，目前遵循的標(biāo)準(zhǔn)有ISO230-6國際標(biāo)準(zhǔn)及GB17421.6國家標(biāo)準(zhǔn)等[10-11]。它可以快速地進(jìn)行機(jī)床空間精度的估算，降低空間性能測量的成本與時間。

通過激光跟蹤儀及TRAC-CHECK軟件可進(jìn)行空間對角線的測量。TRAC-CHECK軟件是針對ISO23-6國際標(biāo)準(zhǔn)要求開發(fā)的專用于機(jī)床的進(jìn)給軸定位、面對角線、體對角線測量的專用軟件。通過它可以直觀測量機(jī)床空間對角線的系統(tǒng)偏差和反向差值，進(jìn)行機(jī)床空間精度的評定。應(yīng)用TRAC-CHECK測量軟件補(bǔ)償前后體對角線定位誤差如圖11所示。

圖11 補(bǔ)償前后體對角線定位誤差

可知：補(bǔ)償前體對角線定位的系統(tǒng)偏差為561.58 μm，補(bǔ)償后為63.45 μm，誤差縮小為原來的11.2%。通過空間誤差補(bǔ)償機(jī)床體對角線精度大幅提升。

結(jié)合補(bǔ)償前后21項誤差對比結(jié)果及空間體對角線定位測量對比結(jié)果可知：經(jīng)過補(bǔ)償，21項誤差中單項誤差有升有降，很難分辨出補(bǔ)償?shù)男Ч?；通過體對角線定位測量可以明顯看出補(bǔ)償后機(jī)床的空間精度有大幅度的提升。這說明機(jī)床空間的21項誤差在機(jī)床運動中是相互作用的，綜合運動中存在一定的矢量加減關(guān)系。同時激光跟蹤儀配合VCS功能測量和補(bǔ)償了刀尖點和工件作用點的綜合誤差，有助于機(jī)床空間綜合運動精度的提升。

5 結(jié)語

本文作者首先給出了機(jī)床平動軸的21項空間誤差的表示，其次闡述了激光跟蹤儀測量空間誤差的原理，根據(jù)TRAC-CAL軟件空間誤差測量的步驟完成了機(jī)床空間誤差測量的軌跡規(guī)劃、誤差測量和分離及生成VCS補(bǔ)償文件，并通過西門子VCS功能實現(xiàn)機(jī)床空間誤差的補(bǔ)償，最后，通過補(bǔ)償前后誤差的對比及補(bǔ)償前后體對角線定位測量結(jié)果的對比進(jìn)行了補(bǔ)償效果的驗證。具體結(jié)論有：

(1)采用激光跟蹤儀，進(jìn)行機(jī)床平動軸空間誤差的補(bǔ)償能夠提高機(jī)床刀尖點運動的綜合空間精度，數(shù)控機(jī)床可以采用此方案進(jìn)行精度提升。經(jīng)過補(bǔ)償，體對角線定位的系統(tǒng)偏差從561.58 μm降到63.45 μm，誤差縮小為原來的11.2%。

(2)基于激光跟蹤儀的空間誤差的測量和補(bǔ)償對某些單項精度的提升作用不是很明顯，如定位誤差可以采用激光干涉儀等專用設(shè)備進(jìn)行矯正。

(3)采用空間體對角線的空間精度評價方法進(jìn)行空間精度估算，更加便捷和直觀，對于機(jī)床空間精度校驗具有普適性。