激光干涉儀在幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)上的實(shí)踐

本文原載于《內(nèi)蒙古教育》，作者：廣東省工商高級(jí)技工學(xué)校 溫劍藝

摘要：本文介紹了三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的檢測(cè)方法、建模理論、軟件補(bǔ)償技術(shù)，利用中圖儀器SJ6000 激光干涉儀在不改變機(jī)床的硬件的前提下對(duì) ZXK-32D 三軸立式數(shù)控銑床的幾何誤差進(jìn)行測(cè)量、建模，實(shí)施誤差補(bǔ)償，驗(yàn)證幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)。

零件的制造、設(shè)備安裝和保養(yǎng)及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行零件間的相互摩擦造成的磨損等導(dǎo)致機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生，是加工精度降低的主要因素。為了提高機(jī)床的加工精度，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行幾何誤差補(bǔ)償。有研究表明，數(shù)控機(jī)床在溫度變化影響不大的情況下幾何誤差較為穩(wěn)定，因此，提高機(jī)床精度可采取誤差補(bǔ)償?shù)姆绞健?duì)于誤差的產(chǎn)生、檢測(cè)和補(bǔ)償國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究分析 , 并在各自的理論基礎(chǔ)上分別建立了數(shù)控機(jī)床幾何誤差運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型和誤差辨識(shí)模型 , 為誤差補(bǔ)償?shù)难芯繉?shí)踐提供了方向。

一、三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差檢測(cè)方法

機(jī)床的幾何誤差是機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的誤差，即為幾何誤差，包括機(jī)床各部件工作表面的幾何形狀和相互位置誤差、零件尺寸誤差和裝配誤差。三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差理論上可達(dá)21種。從目前認(rèn)可的研究結(jié)果來(lái)看，誤差辨識(shí)方法主要有幾類(lèi) : 單項(xiàng)誤差直接測(cè)量、綜合誤差測(cè)量和間接測(cè)量法。

（一）單項(xiàng)誤差直接測(cè)量法

單項(xiàng)誤差直接測(cè)量法是利用相關(guān)測(cè)量?jī)x器依據(jù)測(cè)量基準(zhǔn) , 對(duì)數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)幾何誤差逐一測(cè)量 , 即可得到分離的單項(xiàng)幾何誤差參數(shù)，適用于一些傳統(tǒng)的檢測(cè)量具。例如，可利用電子水平儀測(cè)量數(shù)控機(jī)床的剩余轉(zhuǎn)角誤差 ，可利用激光干涉儀裝置測(cè)量數(shù)控銑床的直線性誤差。

（二）綜合誤差測(cè)量參數(shù)辨識(shí)法

綜合誤差測(cè)量參數(shù)辨識(shí)法是采用“數(shù)學(xué)辨識(shí)模型 + 特定點(diǎn)空間位置誤差”測(cè)量機(jī)床在運(yùn)行正常的情況下出現(xiàn)的誤差，并獲得單項(xiàng)誤差數(shù)據(jù)。綜合誤差辨識(shí)是先通過(guò)數(shù)學(xué)建模 , 然后基于模型對(duì)其測(cè)量點(diǎn)的綜合誤差進(jìn)行分離辨識(shí) , 從而間接 得到機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差離散值。

二、三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的建模理論

按認(rèn)可的觀點(diǎn)，誤差建模是三軸數(shù)控銑床誤差測(cè)量、誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。根據(jù)多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論， 把三軸立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)示意圖（如圖１所示）和抽象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（如圖２所示），可以以立柱、床身（固 定軸１）為基礎(chǔ)建立2個(gè)分支和3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，兩個(gè)分支終端是工件４和刀具６。

三、幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)

幾何誤差軟件補(bǔ)償技術(shù)是一種直接作用于機(jī)床的誤差補(bǔ)償方法，通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工指令進(jìn)行修改達(dá)到提高加工精度、減少幾何誤差的目的。目前，數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償多采取軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ謹(jǐn)?shù)控程序算法修正和控制器修正。控制器補(bǔ)償可分為嵌入軟件和參數(shù)修正。數(shù)控程序算法修正是指將程序在數(shù)控加工環(huán)節(jié)和后處理環(huán)節(jié)中的處理，數(shù)控程序補(bǔ)償可分為后處理器和數(shù)控指令修正。

三軸立式數(shù)控銑床是通過(guò)數(shù)控指令控制刀具的切削運(yùn)動(dòng)。基于多體系統(tǒng)理論，采取軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)數(shù)控指令進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)時(shí)調(diào)整刀具中心運(yùn)動(dòng)提高加工精度。幾何誤差補(bǔ)償軟件補(bǔ)償可分為仿真模塊、建模模塊、補(bǔ)償模塊、測(cè)量模塊四部分，其原理是通過(guò)誤差補(bǔ)償軟件修改數(shù)控指令，用修正后的數(shù)控指令驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，調(diào)整刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡，減少刀尖實(shí)際位置與理論位置之間的誤差，提高加工精度。其中，仿真模塊是利用 UG、CAXA 等軟件可快速、直觀對(duì)比補(bǔ)償前后程序的仿真效果 ；建模模塊是通過(guò)設(shè)置一系列的參數(shù)（如機(jī)床切削參數(shù)、刀具尺寸、設(shè)置坐標(biāo)系等）實(shí)現(xiàn)三軸數(shù)控機(jī)床誤差模型的建立 ；補(bǔ)償模塊是依據(jù)測(cè)量的誤差數(shù)據(jù)和誤差補(bǔ)償模型補(bǔ)償或者修正導(dǎo)入數(shù)控程序的誤差 ；測(cè)量模塊是通過(guò)檢測(cè)獲取原始數(shù)據(jù)，包括 X 軸幾何誤差、Y 軸幾何誤差、Z 軸幾何誤差、垂直幾何誤差。

四、激光干涉儀測(cè)量與建模

激光干涉儀測(cè)量一般屬于一維的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法。激光干涉儀可在較快的位移速度下測(cè)量較大的距離，測(cè)量精度高， 一般為 0.1μm，可用于檢測(cè)直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度等幾何誤差。激光干涉儀穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，適合在一般車(chē)間條件下使用。

本次使用的中圖儀器 SJ6000 激光干涉儀不僅能自動(dòng)測(cè)量機(jī)器的誤差，還能通過(guò) RS232 接口自動(dòng)對(duì)其線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，比通常的補(bǔ)償方法節(jié)省了大量時(shí)間，避免了手工計(jì)算和 手動(dòng)數(shù)控鍵入而引起的操作者誤差。同時(shí)還可最大限度地選用被測(cè)軸上的補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，使機(jī)床達(dá)到最佳精度。另外操作者無(wú)需具有機(jī)床參數(shù)及補(bǔ)償方法的知識(shí)。激光干涉儀 , 可以對(duì) X、Y、Z 三軸進(jìn)行分別測(cè)量，可以測(cè)得滾動(dòng)、偏擺、俯仰以及位置度誤差。操作如下 ：

X 軸測(cè)量 ：固定 Y 軸和 Z 軸，X 軸從 A0 點(diǎn)移動(dòng)到 A 點(diǎn)， 測(cè)取數(shù)值。

Y 軸測(cè)量 ：固定 X 軸和 Z 軸，Y 軸從 B0 點(diǎn)移動(dòng)到 B 點(diǎn)， 測(cè)取數(shù)值。

Z 軸測(cè)量 ：固定 X 軸和 Y 軸，Z 軸從 C0 點(diǎn)移動(dòng)到 C 點(diǎn)， 測(cè)取數(shù)值。

五、軟件補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

ZXK-32D 三軸立式數(shù)控銑床曾經(jīng)被洪水浸泡，同時(shí)維護(hù)保養(yǎng)跟不上，長(zhǎng)久使用后精度明顯降低。本次實(shí)驗(yàn)旨在嘗試提高數(shù)控銑床精度，在不改變機(jī)床的硬件的前提下，對(duì)其進(jìn)行建模測(cè)量和實(shí)施誤差補(bǔ)償，分別比較驗(yàn)證軟件補(bǔ)償前后加工數(shù)據(jù)，以判斷軟件補(bǔ)償技術(shù)是否有效。

ZXK-32D 型三軸立式數(shù)控鐵床（廣州數(shù)控機(jī)床有限公司） 的基本參數(shù)為 ：工作臺(tái)面積(寬×長(zhǎng) )320mm×900mm ；型槽（槽數(shù) - 槽寬 × 槽距）3-14×100 ；工作臺(tái)承載工件重量 300kg ；工作臺(tái)左右行程（X 向）550mm ；工作臺(tái)前后行程 （Y 向）320mm ；主軸箱上下行程（Z 向）300mm ；主軸端面距工作臺(tái)面距離 50~350mm ；主軸中心線至立柱導(dǎo)軌面距離 300mm ；主軸錐孔MT4 主軸電機(jī)功率 1.5/2.2KW ；主軸轉(zhuǎn)速范圍 (6 級(jí) ) 265~1815 r.p.m ；進(jìn)給速度 1~1500 mm/min ；快速移動(dòng)速度３m/min；線性坐標(biāo)的定位精度 X/Y/Z：0.04/0.03/0.03 mm ；線性坐標(biāo)的重復(fù)定位精度 X/Y/Z ：0.02/0.015/0.015 mm。

綜合考慮各種因素，本次三軸數(shù)控銑床的幾何誤差的設(shè)備使用中圖儀器 SJ6000 激光干涉儀采用直接測(cè)量法。試驗(yàn)零 件如圖3所示，具體毛坯參數(shù)：200mm×200mm×30mm，鋁。零件加工中的具體參數(shù)為 ：直柄鍵槽銑刀 Φ10mm，三軸數(shù)控銑床主軸轉(zhuǎn)速 1000 r/min，切削進(jìn)給速度為 80 mm/min。在 進(jìn)行零件加工的時(shí)候，為了最大限度地降低切削力誤差造成影響，前后兩次零件的試切均選擇小切削量低速進(jìn)給的加工方法。

直線度值的測(cè)量選用 DRAGON1075 型手動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量點(diǎn)選擇如圖 3 所示，工件四邊直線 (1,2,3,4) 和工件 對(duì)角線（5-7,6-8）。點(diǎn)心偏差的測(cè)量則選取Ⅰ點(diǎn)中心建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，再在Ⅱ點(diǎn)、Ⅲ點(diǎn)、Ⅳ點(diǎn)分別測(cè)量相對(duì)位置， 在加工測(cè)量前后注意比較理想坐標(biāo)值和實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)值， 驗(yàn)證試驗(yàn)工件的相關(guān)參數(shù)，如表 2 所示。

從以上兩個(gè)表格數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控機(jī)床在幾何誤差軟件補(bǔ)償后，機(jī)床直線加工精度和定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)精度都得到了提高。

六、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，本次將軟件補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用到三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的修正中，雖然受到檢測(cè)設(shè)備成本和檢測(cè)補(bǔ)償技術(shù)水平的限制沒(méi)能從各個(gè)方面做出更詳細(xì)檢測(cè)和補(bǔ)償， 但數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，軟件補(bǔ)償技術(shù)能有效提高機(jī)床的加工精度。