空间误差补偿技术在数控机床上的应用.pdf

主题软件技术及其应用 空间误差补偿技术在数控机床上的应用 王跃 明 沈机集团昆明机床股份有限公司， 云南 昆明 6 5 0 2 0 3 摘 要 对空间误差补偿机理和所采用的各种手段进行探讨并应用 X L 8 0激光干涉仪和 Q C 2 0 一 W 球杆仪等 高精度测试手段来实现数控机床的空间误差补偿。 关键词 工作精度 空间误差补偿 数据转化 激光干涉仪球杆仪 中图分类号 T H1 6 1 ． 2 1 文献标识码 B Ap p l i c a t i o n o f v o l u me t r i c e r r o r c o mp e n s a t i o n o n CNC ma c h i n e t o o W ANG Yu e mi n S Y MT G K u n mi n g Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ， K u n mi n g 6 5 0 2 0 3 ， C H N Ab s t r ac t Th e p a pe r de s c r i b e s t h e t he o r y o f v o l ume t r i c e r r o r c o mp e n s a t i o n o n CNC ma c h i n e s，u s e s XL 8 0 i n t e ffe r o me t e r a n d Q C 2 0 - W b a l l b a r a s c a l i b r a t i o n t o o l ， t h e a c c u r a c y o f C N C m a c h i n e t o o l s c o u l d b e i m p r o v e d b y d o i n g v o l u me t r i c c o mpe n s a t i o n． Ke y wor dsMa c h i n i n g Ac c ur a c y；Vo l u me t r i c Er r o r Co mp e ns a t i o n；Da t a T r a ns f e r ；I nt e ffe r o me t e r ；Ba l l Ba r 1 问题的提 出 长久以来 ， 空间精度补偿技术一直应用于三坐标 测量机上 ， 因为三坐标测量机作为计量器具对精度要 求较高。近年来 ， 随着数控机床技术的不断发展 ， 对机 床精度 的要求也越来越高。现有机床精度单从机械设 计和硬件制造上来考虑 ， 成为制约行业发展的一个 瓶 颈。将三坐标测量机 的空间精度补偿技术引入到数控 机床上 ， 将成功地解决数控机床精度再提高的关键 问 题 图1 各轴误 差图示 在机床的三轴移动空间中， 如 图 1所示共有 9个 平移误差参数 线性定位 、 直线度误差 ， 9个角度误差 参数 俯仰角 、 扭摆角和滚摆角误差 和 3个垂直度误 差参数 ， 总计 2 1项误差 。要将 2 1项误差对机床空间 位置的影响完全消除 ， 需要将各项误差精确地检测 出 豢 I u o 0 来 ， 并研究开发有关软件， 将检测得到的误差数据转换 为具备相应功能的数控系统所能接受的参数 ， 提供给 系统补偿结果 ， 从而实现提高机床空间精度。 通常坐标轴的定位精度是评定机床精度的一项关 键参数 ， 有时机床的某一处定位精度 已经达到要求 ， 但 在其他位置测量同一坐标 的定位精度则达不到要求。 使用空问精度补偿方法是对机床空间误差进行修正的 一 种有效方法 。 2 目前现状 几年前 ， 当具备空间精度补偿功能的高端数控系 统 S i e me n s 8 4 0 D s l 称 V C S 和 F a n u c 3 1 i 称三维误差 补偿 推向市场后 ， 国外生产 高端数控机床 的厂家就 开始研究相关空间精度的测量和误差补偿参数计算方 法 ， 并有少量的研究成果公开发表。 从发表 的现有资料看 ， 有采用激光跟踪测量法 ， 在 机床不 同部位作为站点分几次测量机床各空间定位点 误差 ， 并用一定数学模型分 离 2 l项误差值的方法 ； 该 种方法的优点是一旦软硬件 和测试方案准备好 ， 开始 测量后效 率就 比较高。但它也有若 干需 要注意 的地 方 ， 如软 、 硬件配备 的价格不低 ， 更换机床类型需要供 应商提供相关软件 ， 特别是 当它测量 2 1 项误差时 ， 完 全靠数学模型计算推导出来 ， 各项误差测量的实际不 确定度无法准确给定。如跟踪仪名义上测量线性精度 l 主题软件技术及萁应用 的技术指标很高 ， 但实际测量线性定位精度还须按跟 踪仪原理布置多站点按多次测量来实现 ， 其补偿效果 有限。 另外一种常用的方法是采用激光干涉仪等测量工 具 ， 按 2 1 项误差逐项检测的方法。采用激光干涉仪测 试各项误差源也是 目前 国内外通行而公认 的办法 ， 其 各项测试结果均具备精度溯源性 ， 可 以逐项测量并校 核机床精度是否测量正确 ， 稳定可靠 ， 并能方便地随时 校核空间补偿效果。市场上最为普遍应用 的英 国产 X L 8 0激光干涉仪还具有开放的软件接 口， 方便用户 自 行研究开发 自己的软件。激光干涉仪和球杆仪是我司 生产各类数控机床中普遍使用的工具 ， 其人门门槛低 、 机床类型适用性广的特点 ， 促使我司最终选用该种方 法来开展数控机床空间误差补偿的研究。 3 原理 本文主要以 F a n u c 3 1 i 三维空 间误差补偿为、 贝 4 试 对象来进行探讨。 图2 空 间误差示意 图 F a n u c三维误差补偿 需 6 6 6选项 是将每根轴 分成若干段 最多 2 5份 ， 即每维 2 5个点 。机床三维 空间总计最多可分为 1 5 6 2 5个点 ， 在各点均有 、 △ y 和 误差值。从三维空间来考虑 ， 上述划分将机床工 作空间分成小立方体 ， 每一立方体问的接点误差 、 A y和 可以用来进行空 间补偿 。如图 2所示 ， 机床 名义定位点为灰色点， 而 实际上 因机床运动轴 角 度 、 直线度 、 垂直度等 误 差的影响 ， 使其最终定位 在黑色点位置， 两者间存 在误差 。 通 过 英 国 雷 尼 绍 X L 8 0 激 光 干 涉 仪 和 Q C 2 0 一W 球 杆 仪 ， 运 用 46 图3 每一立方体中P 点 的各轴补偿分量 R V C空间补偿软件可以得到各点补偿 值 C 、 C y 和 C ； 然后 ， 将三维误差补偿值 C 、 C y 和 c 上传到机床控制 器， 使其补偿生效 。 机床在空间补偿生效后 的实际运动 中， 小立方体 中任意点 P在 轴方向的补偿分量见 图 3所示 ， 它可 通过方程 1 插补得到。 C C 1 一 1 一 Y 1 一 C 2 1 - y 1 一 C 3 x y 1 一 z C 4 1 一 Y 1 一 z C 5 1 一 1 一 Y z C 6 1 - y C 7 x y z C 8 1 一 y z 1 同理， 对 y轴和 z轴的补偿分量为 C 和 C 。 4实际测量过程 以本公司配有 F a n u c 3 1 i 带有 6 6 6三维误差补偿 选项的高精度精密卧式加工中心作为样机 ， 使用 X L 8 0 激光干涉仪和 Q C 2 0 一 W 球 杆仪进行检测 ， 运用 R V C 空间补偿软件实现了空间补偿。 4 ． 1 补偿前机床状态检测 使用 Q C 2 0 一 W球杆仪进行空间测试 ， 快速检查机 床状态 。空间精度测试结果如图4 。 竺 仪 空 闻 诊 斯 ， m嘲 ． s H ’ 机 器 Vol umet ric ex ampl e s 一⋯ 测试参数 半径 进给事 空间谢试结果 最大偏差量 最 小 偏差 量 十， ⋯ 正⋯ ， 、l I ， ． _ l ⋯ 图4 球杆仪 测试显示 电器误差 从检测结果分析 该机床存在很大的电气系统误 差， 如反 向跃冲 、 伺服不匹配等 ， 且在圆度误差分析中 均占有超过 4 0 ％ 的比例 甚至 z 平 面为 9 0 ％ 以 上 ， 判断影响机床 圆度的主要误差在电气系统 中， 根 据测试结果对电气误差进行了修正 。 三维空间补偿 可 以修正机床在各轴 上存 在的线 性 、 角度 、 直线度及各轴之问的垂直度等误差 ， 但是如 果机床本来存在较大的电气误差将直接影响空间补偿 后圆度检查的效果。 4 ． 2补偿原理与工具的验证 三维空间补偿 的过程为 首先进行传统 的“ 螺距 补偿” ， 接着 对 “ 角度” 误差进 行修正 ， 角度误差修正 后 ， 再分别对 “ 直线度” 和“ 线性误差 ” 进行第二次修 葡 j [u l 0 l平 幂l 删 正 ， 最后修正各轴之间的“ 垂直度” 。 X L 8 0激光干涉仪是我 司在数控机床生产调试 中 长期使用的校准工具 ， 其线性测量精度 为 0 ． 5 m， 长 期普遍的使用经验对其作为空间补偿的基准有足够的 可信度 。在测量的过程中 ， 在 轴对空 间补偿进行了 初步的验证。待“ 螺距补偿 ” 和“ 角度 ” 修正后 ， 分别测 量 X t Y直线度 、 Xt Z直线度在补偿前和补偿后 的数据。 如图 5～ 6所示 。 3 目2 1 0 ． 1 2 ．3 i 量{ 囊 l i ／ ＼ 一 补 偿 翦 1／ 一一 ＼ ／一＼ ／ 。、 补 偿 后 { 一 1 6 0 0 1 20 0 8 00 4 0 0 0 目 标／ mm 图 5 Xt 埴 线度 ＼ 一 ／ ， ， 60 0．． 1 20 0． ．80 0． 4 00 0 目 标／ mm 图6 xt z 直线度 1 R V C空间补偿可以修正机床运动轴的直线度 误差 ， 和“ 螺距补偿 ” 完成后的定位误差 ， 角度误 差和 垂直度误差也可 以修正。 2 测量过程 中对误差的方 向判别也是及其重要 的环节 ， 一旦误差方 向判定错误 ， 对补偿结果会有极大 的影响。采用 X L 8 0激光干涉仪 可以分项测试 ， 方便 确定 方 向 。 3 R V C软件有一个特点 ， 可以单独采用若 干项 激光干涉仪误差数据来补偿 ； 如分别对 轴的 】 ， 、 z两 个方 向做直线度补偿 ， 其补偿效果明显 ， 且方向正确。 4 垂直度补偿的验证 在完成各 轴 补偿后 ， 使 用 Q C 2 0一 W 球 杆 仪 3 0 0 m m J J 试半 径进行空间检测 ， 快速诊 断圆度和垂直度 表 1 垂直度补偿前后对 比表 垂直轴 垂直度补偿前／ I x m ／ m 垂直度补偿后／ ix m／ m 一 ， ， 1 9 ． 2 2 7 ％ 1 ． 5 3 ％ y Z 一1 2 ． 9 2 6 ％ 1 ． 1 2 ％ zX 一2 ．1 f 6％ 1 2 ． 2f 6％ 1 注 垂直度数值后括号 内数值为该误差在综合圆度中所 占比例 结果 ， 补偿前 y垂直 度 1 9 ． 2 Ix r n ／ m。接着测 量得 到 补偿前 Y - Z垂直度 一 1 2 ． 9 Ix m ／ m， 补偿前 z 垂 直度一 2 ． 1 Ix m ／ m。将 测量所得垂直度误差输入 R V C 软件 ， 生成补偿值并输入系统后 ， 结果见表 1 。 5空间补偿后 的三点验证 空间补偿精度验证有不 同的方法 ， 在补偿前后可 分别加工标 准样件 ， 或按 I S 0 2 3 0 4标准进行球杆仪 测试 ， 或按 I S 0 2 3 0 2标准测试定位精度等等。 笔者认为 ， 作为测试方法的验证 ， 用 “ 三点法 ” 在 机床空间中比较空间补偿前后定位精度的改善状况最 为完整 。通过对机床每一轴线在不同的高低左右三点 测试 图 7 ， 测试空 间补偿 前后该轴 “ 角度 ” 、 “ 直 线 度” 和“ 空间线性 ” 的误差补偿效果 ， 空间精度应该从 图 2中黑色点补偿到灰色点 ， 保持在同一精度水平。 本文所测试的机床空间精度从补偿前十来个微米 均恢复到几个微米。 图7 三点测试 示意 图 图8 样机 结构 图 具体在机床上选取的点大致为图 8中标明。其 中 在 轴方 向选取两个点 4 和 A ； 在 】 ， 轴上选取两个点 4 和 B； 在 Z轴上选取两点 A 和 C。并在每个点上分 别进行“ 零参数” 、 “ 螺距补偿 ” 、 “ 空间补偿” 3种状 态 的检测 ， 得到 以下数据。 轴三点测试数据对 比见图 9从 图中曲线可知 ， 进行空间补偿后 的数据都 比补偿前有改善 。但 也发 l 主题软件技术及其应用 0 I o p t c s ． 5 o t t wa r e 1 e c h n o lo g le s a n d I t s A p p l Ic a t i o n s 现 ， 局部补偿效果并不完全相同。详细测试对 比见表 2 ～4。 呈0 6 4 呈2 0 媸 一 2 4 6 ； 一 - 1 螺 ＼ ＼ ＼ ／ ／ ／ 目 标 ／ ram a I y 一 1 02 5 ． 5z 9 48 ． 8 O ＼＼ ／ ＼ ／ ．1 2O O 一 8 O0 4 0 0 0 目标／ ram b Y 一 6 06 30 0Z91 2． 2 目标／ ram c X1，y 一 1 01 7 6 Z 6 0 0． oo 图9 空间误差补偿前后在 轴三点曲线 括号内的数据是干涉镜的安装位置 表 2空间误差补偿前后 X轴数 据对 比 定位精度／ m 位 置 补偿前 螺距 补偿 三维补偿 J 9 ． 6 4 ． 6 6 ． 1 】 7 ． 2 7 ． O 5 ． 1 l c 1 6 ． 9 5 ． 9 7 ． 6 平均值 1 1 ． 2 5 ． 8 6 ． 3 表 3 空 间误差补偿前后 y轴数据对比 定位精度／ m 位置 补偿前 螺距补偿 三维补偿 Y l l O ． 3 7 ． 8 7 ．7 Y 1 c 1 5 ． 7 l 1 ． 1 9 ． 2 y 2 A 4 ． 1 7 ． 9 9 ． 2 平均值 l 0 ． O 8 ． 9 8 ． 7 6 结语 1 采用工厂 中普 遍使用 的激光干涉仪 并配合 表 4空间误差补偿前后 z轴数据对 比 定位精度／ m 位置 补偿前 螺距补偿 三维补偿 Z1 d 1 2 ． 3 3 ． 6 3 ． 9 Z1 1 8 ． 5 8 ． 7 8 ． 6 Z2 A l 2 ． 3 3 ． 7 3 ． 5 平均值 1 4 ． 4 5 ． 3 5 ． 3 R V C空间补偿软件可以很好地用 于补偿 机床的三维 误差 ， 如线性 、 角度 、 直线度和各轴间的垂直度等。 2 虽然经过空间补偿后 的数据与单独做过螺距 误差补偿的数值变化不大， 但是机床在整个空间中的 精度趋于一致。而单独按传统方法进行螺距补偿后的 精度仅代表在做螺补的位置这一点 的精度。 3 R V C空间补偿软件只是用采集到的误差进行 计算 ， 输入数 控 系统 中进行 补偿。所 以机 床 的状态 稳定性 影响补偿效果 。在测量过程中发现 ， l ， 轴测 量数据存在一些问题。例如 反向间隙不断的变化， 是 否因 】 ， 轴油压不稳造成否则 y轴精度会更好 。 4 测量数据的误差方 向、 精准度 和重复性 也会 影响补偿效果。因此选用具备可溯源的稳定可靠检测 工具尤为重要 。 5 R V C空间补偿还可以单独用作 自动补偿线性 定 位精 度 ， 对 于不 具 备 空 间误 差 补偿 选 项 的普 通 F a n u c 3 0 i ／ 3 1 i 的机床也可用其进行定位精度补偿 ； 而 且激光干涉仪 与球杆仪是 常见的具有精度溯 源的工 具 ， 使得 R V C空间误差补偿技术的推广普及具有更广 泛 的前景。 参考文献 [ 1 ] D r ． - I n g ． J o c h e n B r e t s c h n e i d e r ．C a u t i o n w i t h V C S ma c h i n e t o o l p r e c i s i o n c a n b e i n c r e a s e d [ z ] ．S ie m e n s AG， I n d u s t y S e c t o r ． [ 2 ] 常文芬 ， 王春光 ， 任海涛． 一种新型实用的空 间误差补偿方式[ J ] ． 制 造技术与机床， 2 0 1 2 7 1 0 1 1 0 4 ． [ 3 ] I S 0 2 3 0 2机床测验规则． 第 2部分 定位用 数字控制轴 的精度 和重 复性的测定[ s ] ． [ 4 ] I S 0 2 3 0 4 2 0 0 5机床检验通则． 第 4部分 数控机床的圆检验 [ s ] ． 第一作者 王跃明， 男， 1 9 7 1年生， 工程师 ， 主要研 究机床检测方法， 测试仪器软硬件的完善与改进 ， 计量 规程宣贯等。 编辑李静 收修改稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 3 0 文章编号 1 3 0 1 1 7 如果您想发表对本文的看法． 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 L U孝 10 l 删