数控机床误差检测技术研究

Abstrac t : T he errors recognition and m easure m ent technology for the nume rical contro lm ach ine tools based on laser testing tech nology was studied. R enishaw laser interfero m eter and high accuracy displace m en t senso rs w ere used to measure the position ing errors and ther m a l erro rs of the sp ind le in the m ach ine too ls . Th is m easure m ent could be w idly used in the m echan ica l industry , use fu l in i m prov ing m ach ine too ls cutting prec ision . K eyword s : Laser interfero m ete r ; CCD laser displace m ent senso rs ; Eddy current displace m en t sensor it s v ery
表 1 数控机床各误差源所占 比重 机床误差 几何误差 热误差 刀具误差 加工过程误差 夹具误差 工件热误差 操作误差 检测误差 22% 28% 13 5% 7 5% 6 5% 7 5% 15 % 35 % 50 %
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说, 3 个轴运动 共存 在 18 项 误差 分 量, 再加 上 三轴 [ 4] 之间还存 在垂直 度误 差, 共计 21项 误差 分量 。其 中, 数控机床的直线定位精度与重复定位精度是几何 误差最重要的两个指标, 并且常用的检测设备是激光 干涉仪。本文 作 者使 用 R en ishaw 激 光干 涉仪 对 机床 进行检测, 实测 图 如图 3 所示, 测量 数 据如 图 4 所 [ 5] 示 。
图 7 主轴 X、 Y 、 Z 3 个方向热变形图 ( 500r /m in)
从图 7可以发现该机床 Y 轴的热变形量最大, 超 过了 0 04mm, 但其变形方向 和 X 轴一样, 基 本上是 单方向变 化, 并 且在 机 床连 续运 行 4h 后趋 于 稳定。 X 、 Y 两轴在停机的 1 5h内, 其变化量 很小, 说明这 两个方向热变形在短时间内很难消 失。Z 轴 的变化幅 度在 # 0 017mm 以内, 变 化量 不 是 很大, 但 其变 化 方向在 45m in 发生了改变, 由负方向转向正方向, 并 在 140m in 转化为正方 向误 差。在 机床停 机后, 发现 Z 轴的热误差大小和方向在瞬间发生了 变化, 这是由 机床主轴的回转误差、轴向跳动以及检测棒底面的平 面 度等综合因素造成, 因此图 7 中 Z 向数据在停机后 的突变, 只能 说明 该主 轴 Z 向 热误 差在 停机 后 变化 比较明显。
R esearch on the E rrorsM easu rem en t for CNC M ach ine Tools
PAN Shuw e i, CAO Y ong jie , FU Jianzhong ( 1 W enzhou V ocational and T echn ica l Co llege , W enzhou Zhe jia ng 325035 , China ; 2 H ig h Vocatio na l and T echnica l Co llege of Shangha iUn iv ersity o f Eng in eering Science , Shanghai 200437ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ, China ; 3 Zhejiang Un iversity , Zhejiang H angzhou 310027 , Ch in a)
从表 1可以看出, 数控机床各误差源中, 几何误 差和热误差所占比重最大。因此, 本文将重点介绍这 两类误差的检测。
2 数控机床几何误差检测 几何误差主要来自机床的制造缺陷、机床部件之 间的配合误差、机床部件的动静变位等。它主要包括 因丝杠节距改变而产生的定位误差, 因导轨变形而引 起的直线度误差和角运动误差, 因丝杠和齿轮等反向 游隙及伺服驱动系 统的失动 而产生 的反向 游隙 误差, 以及伺服不匹配误差等。几何误差只与刀具或工件所 处的位置有关。 对三轴空间坐标系统来说, 若物体沿某一坐标轴 运动, 其运动有 6个自由度 (如 图 2所 示 ), 那 么就 有 6个几何误差分量, 即沿 3 个坐标轴的直线度误差 和对 3 个坐标轴的转动误差 (例如 X 轴方向的 6项误 差分量 如 图 2 所 示 ), 因 此对 于 三 轴 的数 控 机 床 来
2008 年 5 月 第 36 卷 第 5 期
机床与液压
MACH I NE TOOL & HYDRAULICS
M ay 2008 V ol 36 N o 5
数控机床误差检测技术研究
潘淑微 , 曹永洁 , 傅建中
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( 1 温州职业技术学院, 浙江温州 325035 ; 2 上海工程技术大学高等职业技术学院, 上海 200437 ; 3 浙江大学, 浙江杭州 310027)
摘要 : 研究了基于激光测 试技术的数控机床 误差识 别与 检测。在 分析 机床误 差源 和各误 差项 目的基 础上 , 使用 R en isha w 激光干涉仪和高精度位移传感器实现机床线性 定位误差和主轴热误差的测量。该误差检测方法在机床工业研究中具有 广泛的应用范围和通 用性 , 对 进一步提高数控机床的加工精度具有重要的研究意义。 关键词 : 激光干涉仪 ; CCD 激光位移传感器 ; 涡电流位 移传感器 中图分类号 : TH161 文献标识码 : A 文章编号 : 1001- 3881 ( 2008) 5- 335- 3
∃ 1% 粟时平 多轴数控机床精度 建模与误差 补偿方 法研究 [ J] 机械电子工程 , 2001 ( 1): 4- 8 ∃ 2% 周晓宏 数控加工中的误差来源及其对策 [ J] 自动化 , 2002 ( 8) 制造
3 数控机床热误差检测 机床的热误差主要是由于机床工作时复杂的温度 场造成机床各部件的变形而引起的, 也称为机床热动 态过程。主要是系统受到内外热源的干扰, 使机床各 部分产生温度变化至热平衡的不稳定阶段, 从而造成 加工精度下降的导热变形过程。 机床的热误差 分为两 类: ( 1 ) 与 位置 无关 的热 误差, 如机床主 轴和拖 板的热 漂移。 ( 2 ) 与位 置有 关的热误差, 如因为机床温度场的变化引起标尺的伸
图 5 三轴立式数控机床热变形示意图
本文数控机床主轴热误差测量系统由 3个高精度 的位移传感器组 成, 包 括 2个 CCD 激光 位移 传感 器 ( LK 150H ) 和 1个 涡电 流 位 移传 感 器 ( EV 110V )。 机床主轴热变形实测图如图 6 所示。 2 个 CCD 激光位 移传感器分 别安 置在 与机 床 X、 Y 方向 平行 的位 置, 涡电流位移传 感器 固定 在铝 棒的 正下 方 ( 机 床 Z 方 向平行 )。测量时, 数控机床主轴转速为 5 000 r/m in。 每次测量的时间为 7h, 前 5 5h 主轴 旋转, 每分 钟记 录 1次数值, 后 1 5h 机床停 机, 每分 钟记 录 1次 数 值。该机床主轴的热变形数值如图 7 所示
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机床与液压
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直线导轨或旋转轴组成。其中的每一部分都会产生误 差。数控机床的加工误差来源于以 下几个方 面: ( 1) 机床的零部 件和 结构 在 制造 和装 配时 产 生的 几何 误 差, 包括零件 尺 寸误 差和 装配 误 差; ( 2 ) 机床 内、 外部热源引起 的热变 形误 差; ( 3) 机床 自重、切 削 力变 形及由于 动刚度 不足产生 的振动 误差; ( 4) 机 床轴 系伺服系 统产生 的伺服跟 随误差; ( 5 ) 数 控插 补算法产生的 插补误 差; ( 6) 其它 误差, 如 外界 振 动、湿度、气流变化等产生的环境误差以及检测系统 中产生的检测误差等 。 影响机床加工精度的误差总体上可分为准静态误 差和动态误差两类 。 准静态误差指的是那些在一定时期内随时间变化 缓慢或基本保持不变、和机床自身的制造精度紧密相 关的误差, 它包括几何误差、运动误差、热变形引起 的误差和机床部件自重引起的误差。影响机床精度的 误差源之间的关系和它们的影响因素如图 1所示。 动态误差 的 特性 比较 复 杂, 它 可 由以 下 原因 引 起: 主轴运动误差、机床振动、伺服控制误差等, 减 少这种误差大多需要对机床本身进行改造。 数控机床的误差源由机床误差、加工过程误差和 检测误差等 3个方面组成, 各类误差占有的比例如表 [ 3] 1 所示 。
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4 结束语 分析了数控机床误差源和各误差项目的归类, 在 此基础上使 用 R en ishaw 激 光干 涉仪 和高 精度 位 移传 感器实现了机床线性定位误差和主轴热误差的测量和 数据分析。该误差检测方法在机床工业研究中具有广 泛的应用范围和通用性, 对进一步提高数控机床的加 工精度具有重要的研究意义。 参考文献
1 误差的来源 一般的数控机床主要由床身、立柱、主轴和各种
图 1 机床的主要 误差源及其影响因素
收稿日期: 2007- 05- 17 基金项目: 浙江省教育厅资助项目 ( 20070713) 作者简介: 潘淑微 ( 1973 ), 女, 汉族, 浙江瑞安人, 硕士, 讲师。主要研究方向: 机电一体化技术与 机械制造, 发表文 章 4 篇 ( 含录用 ) 。电话: 13616632020 , 0577- 86680035。 E- ma i:l panshuwe@ i 126 co m。
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0 引言 数控机床的加工精度是影响被加工工件尺寸、形 位误差的一个直接原因, 工件的最终加工精度是由机 床刀具与工件之间的相对位移误差决定的。由于受到 机床各种误差的影响, 刀具与工件之间的相对位移误
差很难等于 0。因此, 为了减少刀具与 工件之 间的相 对位移误差, 提高机床的加工精度, 必须对影响机床 加工精度的各项误差进行细致的分析和研究。
第 5期
潘淑微 等 : 数控机床误差检测技术研究
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缩和丝杠节距误差的改变, 从而产生随温度场而改变 的定位误差; 机床的热变形还会引起机床坐标轴之间 垂直度的改变, 从而产生垂直度误差; 机床的不均匀 受热会引起导轨的变形从而产生随机床温度场而改变 的直线度误差和角运动误差。 对于三轴立式数控机床, 热误差主要由主轴的热 膨胀、主轴箱的热变形、XYZ 轴丝杠或标尺的热膨胀 和立柱的 热变 形等几 部分 构成 (图 5 )。其中, 仅与 [ 6- 8] 温度 t相关的热误差元素有 14 个 : ( 1) X ∀ 、 Y∀ 、Z∀ 轴拖 板 移 动副 坐 标 系 X、 Y、 Z 的 零点分 别 在 3 个 方 向 的 热 漂 移 xx 0 ( t ) 、 yx 0 ( t ) 、 zx 0 ( t), x y 0 ( t ) 、 y y 0 ( t ) 、 zy 0 ( t )、 x z 0 ( t )、 yz 0 ( t )、 ( t) 。其中 : 下标 第 1 个 字母表 示误 差方 向; 第 2 zz 0 字母表示名义运动方向; 0表示零点热漂移。 ( 2) 主轴刀具绕其 坐标 系的 X、 Y、 Z 轴 的零 点 热漂移 x 0 ( t ), y 0 ( t), z 0 ( t )。 ( 3) 主轴分别绕其坐标系的 X 、 Y 轴的偏 转热倾 斜 x s ( t) 、 y s ( t)。