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某臥式數控車床圓軌跡精度測試與分析

2020-5-25 來源：沈陽機床股份有限公司作者：譚智馬曉波，曹鐸

摘要：本文首先分析了球桿儀測試的基本原理，后以臥式數控車床為例，梳理了數控車床圓軌跡精度測試流程，并測量了該臥式數控車床的圓軌跡精度，并對各誤差項在圓度誤差中的占比進行了分析。通過整個測試及優化流程，證明了該測試流程、誤差識別方法省時高效。

關鍵詞 ：球桿儀；測試流程；圓軌跡測試

目前隨著數控機床制造技術的突飛猛發展，數控機床市場的需求量及技術要求也隨之越來越高；如何能在提高生產效率的同時，最大限度地降低制造成本、縮短交貨周期、并且保證機床的精度，因此急需先進的檢測設備及精度優化的流程手段[1]。在影響機床加工精度的因素中，起支配作用的是運動精度。了解掌握機床的運動精度對于精密加工而言不可或缺。如果構成機床設備的各零部件的尺寸、形狀精度低，則機床的運動精度差。另外，安裝與調整控制系統等對機床運動精度也有影響[2]。本文將以球桿儀這一高效、便捷的測量儀器來對某臥式數控車床進行圓軌跡精度測試與分析。

1、球桿儀誤差測量原理

1.1 球桿儀結構簡述

圖 1 球桿儀構造圖

1. 傳感器球 2.LED 狀態指示燈 3. 無線電通信模塊 4. 中心球（固定）5. 開

關和電池蓋 6. 球桿儀傳感器 7. 序列號（底部）8. 蓋環

英國 Renishaw 公司生產的 QC20 球桿儀是一種快速檢測機床性能的精密儀器，具體的構造如圖 1 所示，球桿儀的傳感器是球桿儀系統的主要部件，是一個精密的線性傳感器，能夠精確測出在球桿標稱 (100 mm) 長度 ±1 mm 行程內的伸縮量。此傳感器可提供電子信號，這些信號經處理后與計算機無線通訊。這允許 Ballbar 20 軟件對傳感器名義長度上的微小變化進行測量和分析。

1.2 球桿儀的測試原理

用球桿儀進行誤差測量，設坐標系的原點 O(0,0) 為車床主軸軸桿上球座的中心，P(x,z) 為刀架臂球心的名義坐標，當機床運動到目標位置 P(x,z) 時，設機床的實際位置為P'(x',z')。則機床的空間誤差可用這兩個坐標表示如下：

式（4）表示點 P 處的定位和球桿儀半徑誤差的關系。該式是球桿儀測量裝置的基本方程式，反映了測量結果與誤差矢量之間的關系。測量所有的 ?R，做出圓度誤差曲線，可以綜合反映出機床部件相互幾何關系等因素。

2 、測試內容及過程

針對數控車床進行球桿儀圓弧插補測試的總體測試流程如圖 2。

①先預熱機床：使機床以測試速度運行半個小時，讓機床進行充分的潤滑與熱機；②再確定測試半徑：按照測試需求及機床行程選擇測量半徑；③對程序進行預運行：按照選定的半徑、速度進行程序預運行，確保測試程序沒有問題；④確保球桿儀連接：連接球桿儀，包括電源、傳感器、球座，將球桿儀鏈接到機床，準備進行實驗；⑤執行測試：在測試程序通過預運行后，開始執行測試；⑥數據診斷：對測量結果進行診斷，明確各軸的位置誤差，角度誤差，直線度，垂直度，以及比例誤差，周期誤差等誤差項的排序。⑦參數優化：在數據診斷的基礎上，進行系統參數優化；⑧結果驗證：在優化后對再次執行測試，如測試結果不理想，再次執行參數優化步驟以獲得更好的優化效果。