车铣复合机床回转轴精度检测和误差补偿分析.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 0 Vo l _ 3 8 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 2 0 车铣复合机床回转轴精度检测和误差补偿分析 韩军 ，常瑞丽 1 ．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0； 2 ．内蒙古科技 大学信息工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要介绍自行研发的车铣复合机床，分析机床的误差源和提高机床加工精度的方法，并且通过 R e n i s h a w ML 1 0激光 干涉仪和 R X1 0旋转轴校准器系统对车铣复合机床 曰轴位置精度进行了检测，根据检测结果进行误差补偿研究和实验验证。 实验结果表明补偿后 轴位置精度可满足车铣复合机床的加工精度要求。 关键词车铣复合机床；激光干涉；定位误差；误差补偿 中图分类号 T P 2 0 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 7 0 6 2 3 Pr e c i s i o n M e a s ur i ng a n d Er r o r Co mpe n s a t i o n An a l y s i s f o r Ro t a t i o n a l Ax i s o f t he Tur n i ng a n d M i l l i ng Co mp o s i t e M a c hi n e To o l HAN J u n ．C HANG Ru i l i 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ba o t o u I n n e r Mo n g o l i a 01 4 01 0， Chi na； 2 ．I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g S c h o o l ，I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，B a o t o u I n n e r M o n g o l i a 0 1 4 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Tu r n i n g a n d mi l l i n g c o mp o s i t e ma c h i ne t o o l de v e l o pe d by o u r s e l v e s wa s i nt r o d u c e d． The e r r o r s o u r c e o f t he ma c h i n e a n d t h e me a n s o f i mp r o v i n g ma c h i n i n g a c c u r a c y w e r e a n a l y z e d ． T h e d e t e c t i o n f o r p o s i t i o n i n g a c c u r a c y o f t h e B a x i s o f t h e t u rn i n g a n d mi l l i ng c o mp o s i t e ma c hi n e t o o l wa s ma d e u s i n g Re ni s ha w ML1 0 l a s e r i n t e r f e r o me t e r a n d RX1 0 r o t a r y r e f e r e n c e i n d e x e r ． Th e e r r o r c o n- p e n s a t i o n a n d e x p e ri me n t a l v e rif i c a t i o n we r e p r o c e e d e d b a s e d o n t h e me a s u r i n g r e s u l t s ． Th e e x p e ri me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t B a x i s ’ po s i t i o n i n g a c c u r a c y a c h i e v e s t h e r e q ui r e d pr e c i s i o n o f ma c hi n e t o o l s a f t e r c o mp e ns a t i on ． Ke y wo r d sTu rn i n g a n d mi l l i n g c o mpo s i t e ma c h i n e t o o l ； L a s e r i n t e r f e r ome t e r ； P o s i t i o n i n g e r r o r；Er r o r c o mp e ns a t i o n 车铣 复合机床是近年来机床发展的一种趋势 ，它 主要针对 复杂 的回转体类零件进行复合加工 ，在工件 一 次装夹定位后，能够完成工件的全部或部分加工工 序。车铣复合机床在能源 、航 空 、航天 、船舰及军工 等行业一些关键高精度零件加工方面有着不可替代 的 作用。随着我国国民经济的发展 ，精密加工技术和工 件加工精度 的不断提高对数控机床的加工精度提 出了 更 高要求 ，其 中位置误差 是影 响数控机 床加工精 度 、 产生加工误差 的主要原 因。因此 ，对 数控机床 的位置 精 度进行检测和补偿是保证加工质量的有效途径 。作 者通过激光干涉和误差补偿系统对车铣复合机床 的 轴进行精度检测和误差补偿，使其位置精度达到车铣 复合机床的加工精度要求。 1 卧式车铣复合机床结构及其加工精度提高方法 作者设计的卧式车铣 复合机 床结构 如 图 1 所 示 ， 具有车削、铣削、磨削和在线检测功能。c轴为工件 主轴轴线 车削主轴轴线 ；Z 轴为床鞍 床身上纵 滑板 运动轴线 ；X 轴 为车削 转塔刀 架横 滑板运 动 轴线 ；X 2 轴为铣 削刀架横 滑板运 动轴线 ；y 2 轴 为铣 削刀架垂直滑板 运 动轴线 ；X 3 轴 为精进 给横 滑板运 动轴线； 轴为精进给垂直滑板运动轴线；Z 轴为 精进给纵滑板运动轴 线。 图 1 卧式车铣复合机床结构图 该车铣复合机床 曰轴使机床具有五轴定位铣削 和三到五轴联动铣 削功能 。在工件一次装夹定位 的情 况下 ，能完成几乎所有铣削和车削加工。日轴 机床可 以减少车削和铣削加工中的定位误差，提高了加工精 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 3 0 作者简介韩军 1 9 7 7 一 ，男 ，硕士，讲师，主要从事机电一体化、数控技术教学与研究工作。电话 1 3 1 4 2 6 3 2 2 8 6 Ema i l c r 1 20 06 1 26 ．c o m 。 第 7期 韩军 等 车铣复合机床回转轴精度检测和误差补偿分析 6 3 度 。例如 ，在传统 车床或铣床上 ，把工件从 车床转移 到铣床时 ，将 产生一 个 装夹 误 差 ，而在 具 有 B轴 的 机床进行工件车削和铣削加工时 ，不需要二次装夹 。 影响数控 机床 加 工精 度 的 因 素 很多 ，如几 何 误 差 、热误差 、力误 差和随机误差等 ， 其 中几何误 差对 数控机床加 工精 度 的影 响 最大 ，通 常 达到 总误 差 的 4 0 ％以上。所 以 ，通过一定 的检 测手段辨识数 控机床 的几何误差并进行 误差补偿 ， 对提高数 控机床 的加工 精度具有重要意义。 提高数 控机床加工精 度有误差预防法和误差补偿 法 。误差预防法是通过设 计和制造途径消除或减少可 能的误差源 ，该方 法具有 很大的局限性 、成本 高 。误 差补偿法是针对 已存在的原始误差在相应的负方 向上 通过计算机制造一种新的误差 ，对其加以抵消 ，该方 法调整简便 、所需 费用低 。数控 机床误 差补偿 包括误 差检测 、误差建模 和误差 补偿 。几 何误差的检测和识 别是实现误差补偿的第一步， 所以准确检测几何误差 非常重要 。 2激光干涉仪回转轴校准原理 作者采 用 R e n i s h a w M L 1 0激 光干涉仪 和 R X 1 0旋 转轴 校准器 对 B轴 的位 置精 度进 行 检测 ，其检 测原 理如图2所示。R e n i s h a w M L 1 0激光干涉仪包括ML I O 激光 器 、角度干涉镜 、角度 反射镜 和 R X 1 0旋 转轴校 准器 。R X1 0旋 转 轴 校 准 器 是一 种 精 确 的耦 合 分 度 器，具有很高的角位置定位精度 ，它可以在 03 6 0 。 内的 7 2个位置上进行 任意 的旋转 和定 位 ，最小 定位 间隔是5 。 。校准时，旋转轴校准器安装在被校准轴 上 ，要求被校准轴与旋转轴校准器有较高的同轴度， 同轴度误差 要保 证在 0 ． 0 1 m m 以内 ，旋转 轴 校 准器 的旋转方 向与被校准 的旋转轴旋转方 向相反 。校准器 角度反射镜 的角位置通过 激光 器 、角干涉 镜 、角 反射镜进行测量 ，经计算机分析旋转轴校准器 的角位 置和来 自激光器的读数 ，就可 以显示出被校准轴 的真 实的角位置 。 角 度 反 射 镜 安 装 支 架 图 2 测量 原理 3数控机床定位误差补偿系统 数控机床定位误差补偿系统如图3所示。该系统 由数控 机床 、R e n i s h a w ML 1 0激 光 干涉 仪 检测 系 统 、 误差测量接口、误差补偿接口、计算机和打印机等组 成。其中计算机是系统的核心，数控机床是误差补偿 对象， R e n i s h a w M L 1 0激光干涉仪测量误差 ，在补偿 软件的管理下 ，通过测量接 口可用 R e n i s h a w ML 1 0激 光干涉仪 自动测量数控机床 的位置误差 ，由误差补偿 接 口对 数控机 床的位 置误差进行补偿 ，误差数据可通 过打印机输出 。 Re ni s ha 涉w 仪M 检L Ik q I 萎 咎 l激 光 干 涉 仪 检 磊 测 系 统 1 1 Ⅸ l 计 {} 算 机 数 控 机 床r 广 _ 1咎偿 接 口 r _ 图 3 位置误差补偿系统 当车铣复 合机床 的 B轴在 进行 旋 转运 动 时 ，计 算 机通过误 差测量 接 口按一 定 的角 位移 间距 对激 光 干涉仪测 出的误差 数据 进行 采 样 、处理 、分 析 和运 算 ，检测出误差值，发 出相应的补偿信号 ，将误差 传 给数控机 床 的 C N C系统 ，由数控 机床完 成相应 的 补偿 。 4 精度检测和误差补偿的实现 4 ． 1 精度检测实验 该实验根 据要 求安 装 了 R e n l s h a w双 频激 光 干涉 仪的 回转轴分度精度测量镜组 。考虑到测量精度受环 境影响 ，例如空气 的湿度、压力、温度对激光的影 响 ；作者采用 了 E C 1 0环境补偿 装置 ，该装 置采用 材 料传感器和环境温度传感器 自动补偿装置，减少了测 量误差 。同时 为 了减少 死 程误 差 ，设 置 了 日轴 的轴 端越 程 。参数设 置如 下 测 量范 围为 0～3 6 0 。 ；每两 点的角度间 隔为 7 ． 2 。 ；B轴轴 端 越程 为 5 。 ；每 两点 的时间间隔为 5 S ；数据采集时间为2 S ；测量次数为 3次 往返测量 。测量后的位置精度分析 曲线如图 4所示 8 6 4 2 ￡ 0 蕊一 2 ．4 6 ．8 雠 醐 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 目标 角度／ 。 图4 补偿前的测量分析曲线图 通过对所检测 的误 差 曲线 进行 分析 和数据处 理 ， 根据 G B ／ T 1 7 4 2 1 ． 2 _ 2 0 0 0标准 ，得 到分析结果 如表 1 所示 。 6 4 机床与液压 第3 8卷 表 1 补偿前 测量分析结果 ” 均偏差范围 M 1 1 ． 5 1 反向偏差 B 9 ． 0 系统偏差 E 1 8 ． 5 5 去程定位精度 A 1 3 ． 2 6 去程单向重复 R 5 ． 2 4 回程定位精度A 1 6 ． 0 5 回程单向重复 R 4 ． 8 8 定位精度 A 2 0 ． 9 8 4 ． 2误 差 补偿 实验 从 补偿 前的测量结果看 ， 轴的定 位精度不高且 反 向间隙较 大 ，但其重复性好 ，可以对其进行定位精 度和反向间隙补偿 。通过计算机对 以上的数据进行分 析和处理，得出相应的补偿信息，将误差传给数控机 床的 C N C系统，完成相应的补偿。按照补偿前的测 量方 法对 补偿 后 的 轴 再进 行 一次 位 置精 度测 量 ， 测量的误差 曲线如 图 5所示 。 一 回 T 程 o 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 目标 角度／ 。 图 5 补偿后 的测量分析 曲线 图 通过对所测量的误差曲线 ，进行分析和数据处 理 ，根据 G B ／ T 1 7 4 2 1 ． 2 _ 2 0 0 0标准 ，得到分析结果如 表 2所示 。 表 2 补偿后测量分析结果 均偏差范 围 M 2 ． 0 9 反 向偏差 B 3 ． 1 8 系统偏差 E 3 ． 9 6 去程定位精度 A 。 9 ． 1 3 去程单向重复R。 6 ． 8 6 回程定位精度 A 5 ． 6 7 回程单向重复R 4 ． 6 0 定位精度 A 9 ． 1 3 5结论 分析 了激光干涉仪 回转轴校准原理 ，利用激光干 涉仪和旋转轴校准器对 轴的定位精度、重复定位 精度和反 向偏差进行 了检测 ，并且 对位置精度误差进 行了补偿。从实验数据可以看出，定位精度、重复定 位精度和反向偏差都有所提高，达到了车铣复合机床 的精度要求，证明了通过误差补偿来提高机床的精度 是可行有效的 。 参考文献 【 1 】 钟伟弘， 关保国． 数控机床定位误差的激光干涉法检测 与补偿[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 0 9 3 9 40． 【 2 】 沈兴全， 张清． 三坐标数控机床精度检测与误差补偿 [ J ] ． 测试技术学报 ， 2 0 0 5 ， 1 9 3 2 6 4 2 6 8 ． 【 3 】祝捷． 数控机床复合加工的新发展 [ J ] ． 天津职业院校 联合学报 ， 2 0 0 6 ， 8 5 2 2 2 4 ． 上接 第4 5页 信号功率谱分析结果看出前4个工况均有两个主频 ∞ 1 ∞ 1 5 1 H z 和 2 ∞ 2 1 4 5 H z ， 和上节 分 析的小风机叶片第二阶静模态分析频率 5 5 ． 4 3 9 H z 十分接近。随着气流攻角的增大， c 幅值逐渐增强， 而 幅值逐渐减小，到工况 5时 ∞ 的影响越来越 大 ，而 ∞ 的影响基本 上可 以忽略不计 了 ，再次说 明 了气 流脉动引起 的颤振只和某一 阶固有频率有关 。两 次实验结果说 明颤振只和某一 阶固有频率有 关。 3结论 从上面的分析可以看出 ，在一定的来流攻 角下都 会发生分离流频率和某一阶固有频率相等的现象 ，也 就是分离流对于来流速度 的锁定现象 ，这时的振动有 自激振 动的特点 ，它会造成振动 的发散 。而随着工作 条件 的恶化即气流攻角的增大 ，气流的脉动频 率还受 到翼型 固有频率的影响 ， ． 但 已经不是唯一 。这 为颤振 机理 的研究提供 了实验依据 。 参考文献 【 1 】 李德葆， 陆秋孩． 试验模态分析及其应用[ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】 金琰． 叶轮机械中若干气流激振问题的流固耦合数值研 究[ D] ． 北京 清华大学， 2 0 0 2 ． 【 3 】 邹进和． 振动系统的模态分析实验设计 [ J ] ． 物理实验， 2 0 0 4 1 1 4 6 4 7 ． 【 4 】郭恩民． 叶轮机流动诱发振动现象的非定常气动探索 [ D ] ． 北京 北京航空航天大学， 1 9 9 7 ． 【 5 】陈佐一， 刘红， 王继宏． 汽轮机末级叶片失速颤振的全三维 粘性流数值分析[ J ] ． 中国电机工程学报， 1 9 9 9 3 1 8 2 0 ． 【 6 】金琰， 袁新， 申炳． 机翼大攻角下失速颤振的气动弹性研 究[ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 5 5 7 3 5 7 5 ． 【 7 】刘湘宁， 向锦武． 大展弦比复合材料机翼失速颤振分析 [ J ] ． 中国航空学报 英文版， 2 0 0 6， 1 9 1 3 6 4 3 ． 上接 第4 8页 【 1 0 】郑育红． 热处理炉P I D温控系统的偏差分析与修正[ J ] ． 西安航空技术高等专科学校学报 ， 2 0 0 4 ， 2 2 3 4 7 4 9 ． 【 1 1 】L i J i a n p i n g ， Wa n g B o c h a n g ， A i J i a n g - b o ， e t a 1 ． D e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m f o r a l u mi n u m f o i l a n n e M i n g f u r n a c e[ J ] ． Me t a l l u r g i c al I n d u s t r y A u t o m a t i o n ， 2 0 0 8 ， 3 2 2 1 6 2 O ． 【 l 2 】 贺秀英， 李冰． 细长轴渗氮变形的控制[ J ] ． 机械工人 热加工 ， 2 0 0 8 1 ／ 2 6 7 6 8 ． 【 1 3 】 X i a o w e i H a o ， W e i m i n Z h a n g ， J i n g Wa n g ， e t a 1 ． N u m e ri c a l s i mu l a t i o n o f t e mp e r a t u r e fie l d d u ri n g h e a t i n g p r o c e s s i n v a c u u m h e a t t r e a t me n t f u rna c e [ C] ． P r o c e e d i n g s 一 1 5 t h I F HT S E ． I n t e rn a t i o n a l F e d e r a t i o n f o r He a t T r e a t me n t a n d S u r f a c e En g i n e e ri n g C o n g r e s s 2 0 0 6， U S A， 2 0 0 6 3 4 13 4 6 ． 【 1 4 】L a k h t i n Y ． M ． ， K o g a n Y ． D ． ， S o s h k i n S ． M ． ． N i t r i d i n g o f s t e e l s i n v a c u u m[ J ] ． Me t a l S c i e n c e a n d H e a t T r e a t me n t ， 1 9 8 0， 2 2 9 ／ 1 0 6 3 56 3 ．