基于激光干涉仪机床位置精度检测准确性的分析.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０５０ 收稿日期 ２０１５－０５－１４ 作者简介 李志宏 （１９６７）， 男， 高级工程师， 研究方向为机电产品检测。 Ｅ－ｍａｉｌ ｌｉ＿１９６７＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 基于激光干涉仪机床位置精度检测准确性的分析 李志宏， 吴清锋， 曾爱平， 成绵龙 （广东产品质量监督检验研究院国家机械产品安全质量监督检验中心， 广东佛山 ５２８３００） 摘要 利用激光干涉仪对一台立式加工中心进行位置精度检测， 通过改变试验参数获取一系列试验数据。 分析结果表 明 机床丝杆副的热稳定状态、 检测元件的热膨胀系数、 测量设备的传感器放置位置等对位置精度检测的准确性均有显著 影响。 关键词 激光干涉仪； 位置精度； 热稳定； 热膨胀系数； 传感器位置 中图分类号 ＴＨ７４４􀆱 ３ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－１５０－４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ＬＩ Ｚｈｉｈｏｎｇ， ＷＵ Ｑｉｎｇｆｅｎｇ， ＺＥＮＧ Ａｉｐｉｎｇ， ＣＨＥＮＧ Ｍｉａｎｌｏｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｓａｆｅｔｙ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ， Ｆｏｓｈａｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２８３００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｕｓｉｎｇ ａ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ， ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｔｅｓｔ ｏｆ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒ⁃ ｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｌｅａｄ⁃ｓｃｒｅｗ ｐａｉｒ， ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆ⁃ ｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｅｔｃ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ； Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ； Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ； Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ； Ｓｅｎｓｏｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ 数控机床 （包括加工中心） 是一种应用非常广 泛的加工装备， 精度非常高， 一般都是微米级的， 其 中定位精度和重复定位精度是反映数控机床位置精度 的两个关键指标。 目前业内对该两项指标大多采用激 光干 涉 仪 进 行 检 测， 试 验 方 法 按 国 家 标 准 ＧＢ／ Ｔ１７４２１􀆱 ２⁃２０００ 机床检验通则 第 ２ 部分 数控轴线 的定位精度和重复定位精度的确定 进行， 该标准 在技术内容上与 ＩＳＯ２３０⁃２１９９７ 数字控制机床 位置 精度的评定方法 一致。 尽管检测设备和方法标准 都达到国际先进水平， 不同的制造厂或者第三方检测 机构在检测同一台数控机床时却时常得出不同甚至差 异较大的精度结果。 作者通过对同一台立式加工中心 进行一系列试验， 分析了影响机床数控精度检测准确 性的因素。 １ 数控机床伺服进给控制系统分类 进给伺服系统按期控制方式不同， 可分为开环系 统和闭环系统。 根据位置检测装置安装位置不同， 闭 环系统又分为半闭环系统、 全闭环系统［１］， 如图 １ 所示。 图 １ 数控机床控制结构图［２］ １􀆱 １ 开环控制［２］ 开环控制系统无位置反馈装置， 使用步进电动机 （包括电液脉冲马达） 作为伺服执行元件是其最明显 的特点。 在开环控制系统中， 数控装置输出的脉冲控 制步进电动机的角位移， 步进电动机再经过减速装置 （或直接连接） 带动丝杠旋转， 通过丝杠将角位移转 换为移动部件的直线位移， 控制步进电动机的转角， 就可以间接控制移动部件的位移量， 见图 １ （ａ）。 因 系统对移动部件的实际位移量不进行检测， 也就无法 通过反馈自动进行误差检测和校正， 因此开环控制仅 适用于加工精度要求不高、 负载较轻且变化不大的简 易、 经济型数控机床上。 １􀆱 ２ 半闭环控制［２］ 半闭环控制数控机床的特点是 机床的传动丝杠 或伺服电动机上装有角位移检测装置 （如光电编码 器）， 通过它可以检测电动机或丝杠的转角， 因伺服 电动机和丝杠相连， 通过丝杠可以将旋转运动转换为 移动部件的直线位移， 从而间接地检测了移动部件的 位移， 见图 １ （ｂ）、 （ｃ）。 角位移信号被反馈到数控 装置或伺服驱动中， 实现了从位置给定到电动机输出 转角间的闭环自动调节。 因这种结构只对电动机或丝 杠的角位移进行闭环控制， 没有实现对最终输出的直 线位移的闭环控制， 故称为 “半闭环” 控制系统。 对于这种系统， 位置检测单位和实际最小移动单位间 的匹配， 可以通过数控系统的参数 （通常被称为 “电子齿轮比” ） 进行设置。 由于机械传动部件未全 在位置控制环内， 相比全闭环控制系统， 控制精度要 差些， 但它具有传动系统简单、 结构紧凑、 制造成本 低、 性能价格比高等特点， 从而在数控机床上得到了 广泛应用。 １􀆱 ３ 全闭环控制［２］ 全闭环系统的位置检测装置 （如光栅尺、 直线 感应同步器等） 安装在机床运动部件 （如工作台） 上， 机械传动部件整个被包括在位置控制环内， 见图 １ （ｄ）， 因而控制精度高。 基于闭环控制系统的工作 特点， 它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更 高， 传动系统的刚度、 间隙、 导轨的爬行等各种非线 性因素将直接影响系统的稳定性， 严重时甚至产生振 荡， 故必须综合考虑机电部件的结构参数才能满足系 统的要求。 因此全闭环系统对机电的要求比较高， 且 造价昂贵。 鉴于国内市场使用半闭环控制系统的数控机床应 用最为广泛， 此次试验选择这类设备作为研究对象。 ２ 测试部分 ２􀆱 １ 被试机床及测量仪器 测试样机为一台型号为 ＶＭＣ８５０ 的立式加工中 心， 主要参数如下 Ｘ、 Ｙ、 Ｚ 轴行程分别为 ８００、 ５５０、 ５００ ｍｍ， 工作台尺 寸为 ５５０ ｍｍ １ ０００ ｍｍ （宽长）， 见图 ２。 图 ２ 被试机床外形 Ｒｅｎｉｓｈａｗ ＸＬ８０ 激光干涉仪 （英国雷尼绍）， 线 性测 量 距 离 ４０ ｍ， 精 度 ０􀆱 ５ １０ －６ ， 分 辨 率 为 ０􀆱 １ μｍ。 ２􀆱 ２ 测试条件 （１） 机床测试前放置 １０ ｈ， 调整激光干涉仪光 路， 之后再继续放置 １５ ｈ； 测试前不进行升温操作； （２） 材料传感器和空气传感器各 １ 个， 放置在 工作台面上 （具体位置见图 ３）， 用于采集工作台表 面温度和环境温度； 用分度值为 ０􀆱 １ ℃的温度计直接 采集丝杆表面的温度； 图 ３ 材料传感器和空气传感器放置位置 （３） 气压 １０１􀆱 ２ ｋＰａ， 空气湿度 ８７％； （４） 不使用机内补偿程序。 ２􀆱 ３ 测试参数 此次试验采用 ＧＢ／ Ｔ１７４２１􀆱 ２⁃２０００ 中规定的标准 检验循环开展测量， 与测试相关的参数选择见表 １。 １５１第 ２２ 期李志宏 等 基于激光干涉仪机床位置精度检测准确性的分析 表 １ 测试相关参数说明 项目参数参数选择说明 测试轴线Ｘ 轴 （双向定位精度 Ａ 和双向重复定位精度 Ｒ） 测试位置不在测试中的轴线位置 Ｙ＝２３０ ｍｍ， Ｚ＝－２００􀆱 ４ ｍｍ 被测机床检测元件类型滚珠丝杠和旋转编码器 名义差胀 （ＮＤＥ） 修正是 检测元件热膨胀系数选择 １１􀆱 ７ 和 １０􀆱 ６ μｍ／ （ｍ℃）两种系数用于对比试验 标准检验循环参数测量总长 ７００ ｍｍ； 等距式测量， 测量间距为 １００ ｍｍ； 目标位置停留时间 ４ ｓ； 循环次数 ｎ＝５ 进给速度６ ｍ／ ｍｉｎ 首先选择滚珠丝杆热膨胀系数为１１􀆱７ μｍ／ （ｍ℃）， 连续测量 １０ 次， 改为 １０􀆱 ６ μｍ／ （ｍ℃ ）后再连续 测量 ２ 次， 最后在 Ｘ 轴 ７００ ｍｍ 行程范围内快速往 复空运行 １０ ｍｉｎ 进行升温操作， 设置膨胀系数为 １１􀆱 ７ μｍ／ （ｍ℃ ） 再测量 １ 次， 共 １３ 次循环式 测量。 ３ 结果与分析 １３ 次循环式测量结果见表 ２。 表 ２ 位置精度测试结果 序号时间 膨胀系数／ （μｍｍ －１ ℃ －１ ） 丝杠温 度／ ℃ 材料传感器测量温度／ ℃空气传感器测量温度／ ℃ 开始结束开始结束 Ａ／ μｍＲ／ μｍ １９ ∶ ０２１１．７２９．４２８．５５２８．５６２８．２５２８．２９４４．４１６．６ ２９ ∶ １０１１．７２９．７２８．５７２８．５９２８．３４２８．４０３８．９１４．９ ３９ ∶ １９１１．７３０．０２８．６１２８．６４２８．４５２８．５５３６．３１４．８ ４９ ∶ ２８１１．７３０．１２８．６６２８．７０２８．５９２８．６８３３．３１４．０ ５９ ∶ ３６１１．７３０．２２８．７０２８．７５２８．７３２８．８４３１．７１３．９ ６９ ∶ ４５１１．７３０．３２８．７７２８．８３２８．９３２９．０５３０．３１４．２ ７９ ∶ ５４１１．７３０．４２８．８５２８．８８２９．０９２９．１２３０．０１４．８ ８１０ ∶ ０３１１．７３０．８２８．８９２８．９３２９．１４２９．２０２７．３１４．９ ９１０ ∶ １１１１．７３０．７２８．９５２９．００２９．２３２９．３７２７．２１５．１ １０１０ ∶ ２０１１．７３０．８２９．０２２９．１１２９．４２２９．６１２７．２１４．９ １１１０ ∶ ２９１０．６３０．３２９．１３２９．２２２９．６６２９．８０２２．３１５．０ １２１０ ∶ ３８１０．６３０．５２９．２４２９．３４２９．８３３０．０６２２．５１４．７ 连续快速运行 １０ ｍｉｎ 后 １３１１ ∶ ０５１１．７３２．４２９．６０２９．７１３０．３２３０．４８８４．４２６．１ ３􀆱 １ 机床丝杆副热稳定状态的影响 从表 ２ 和图 ４ 看到， 机床从冷态开始连续测量至 第 ７ 次， 其定位精度变化很大， 直至第 ８～ １０ 次时， 才稳定在 ２７ μｍ 左右。 这表明， 如果检测前没有进 行升温运转， 机床需要连续测量多次才能获得一个稳 定的测量结果。 因每次测量时的程序相同， 唯一不同 的是测量过程中丝杆副运转导致每次测量时的温度各 异， 直至从第 ８ 次开始， 丝杆温度才趋于稳定 （３０􀆱 ８ ℃左右， 见表 ２）， 测量结果也就趋于稳定。 这说明 机床热状态不稳定时， 测量结果是不稳定的。 为了消 除热状态对测量结果的影响， ＧＢ／ Ｔ１７４２１􀆱 ２ 第 ３􀆱 ３ 条 规定 “连续地趋近任一特定的目标位置时， 若偏差 成一有序序列， 应考虑到热状态尚不稳定， 则应通过 升温运转使这些趋势减至最低限度”。 此次试验在检 验前虽然没有进行快速升温运转， 但连续多次的检测 过程中也能使机床丝杆趋于热稳定状态 （但约需 １ ｈ 的时间）。 图 ４ 精度检测结果的数据点折线 图 （不含第 １３ 次测量结果） 半闭环控制系统是通过控制丝杆转角来间接控制 工作台移动距离的， 而激光干涉仪测量的是工作台移 ２５１机床与液压第 ４３ 卷 动距离， 因此， 为了准确评价机床的位置精度， 必须 确保在整个检测过程中， 丝杆转角与工作台移动距离 的匹配关系不能发生变化， 或者说该匹配关系必须与 控制系统的 “电子齿轮比” 保持一致。 实际上， 在 从机床冷态开始检测时， 丝杆的运转会导致其温度逐 渐升高而发生热变形， 丝杆转角与工作台移动距离间 的对应关系会不断发生变化， 因此在丝杆温度未达到 热稳定状态前所检测的精度是不稳定的， 也是不准确 的。 而闭环控制系统由于用位移传感器直接控制工作 台移动距离， 丝杆温度稳定性对检测精度的影响就比 较小。 从国家标准的规定、 控制系统的原理和此次试验 的结果看， 为了获得稳定的测量结果， 必须使机床丝 杆副处于热稳定状态， 该状态可通过检验前的升温运 转或多次的连续测量获得。 由于从机床冷态至连续测 量获得热稳定状态所花时间较长， 从检测效率角度考 虑， 检验前进行适当的升温运转也许更实际， 但升温 运转的速度、 时间要针对不同的机床反复进行多次试 验才能确定， 一旦确定， 就可作为经验数据， 这对机 床制造厂尤为必要 （目前业内大多让机床运动部件 快速运转 ３～５ 个来回就开始检测， 严格来说是不够 严谨的）。 从表 ２ 可看到 机床热稳定状态下经 １０ ｍｉｎ 连续快速空运转后再检测时， 定位精度从 ２７ μｍ 猛升至 ８４ μｍ， 表明过度的升温运转对检测结果造成 的影响是很大的； 此外， 连续快速空运转 １０ ｍｉｎ 后， 丝杆温度升高了 １􀆱 ９ ℃， 而工作台仅升高了 ０􀆱 ４ ℃， 因此， 以工作台表面实测温度去判断机床热状态是否 稳定也是不可靠的。 ３􀆱 ２ 检测元件热膨胀系数的影响 从表 ２ 和图 ４ 看到 在连续测量 １０ 次、 定位精 度结果趋于稳定情况下， 把滚珠丝杠的热膨胀系数从 １１􀆱 ７ 改为 １０􀆱 ６ μｍ／ （ｍ℃）， 则定位精度下降约 ５ μｍ。 ＧＢ／ Ｔ１７４２１􀆱 ２ 第 ３􀆱 １ 条规定 “应该注意， 任何 与 ２０ ℃的温差均可对有效膨胀系数下的不确定度产 生一个附加不确定度， 而有效膨胀系数是供补偿用 的， 因此在检验报告中应记录实际的温度， 供方／ 制 造厂应提供轴线定位系统的有效膨胀系数” 。 不同的 材料有不同的热膨胀系数， 鉴于该系数对测量结果的 影响， 用户或技术机构检测时应索取供方／ 制造厂提 供的有效膨胀系数， 不能按经验随意选取。 ３􀆱 ３ 测量仪器传感器放置位置的影响 ＧＢ／ Ｔ１７４２１􀆱 ２ 第 ３􀆱 １ 条规定 “最为理想是使测 量仪器和被检对象处于 ２０ ℃的环境下进行检测， 如 不在 ２０ ℃下检测， 则必须修正轴线定位系统和检测 设备间的名义差胀 （ＮＤＥ）， 以获得修正到 ２０ ℃ 的 检测结果， 在这种情况下， 需要测量机床定位系统和 检测设备的代表性部位的温度”。 为了获得准确的 ＮＤＥ 修正效果， 最理想的是把激光干涉仪的温度传 感器放置在丝杆上， 但实际检测时不太容易做到。 供 方／ 制造厂在产品出厂前一般把传感器放置在最靠近 丝杆副的工作台表面进行精度检测并进行调试、 精度 补偿， 因此其他相关方对该机床进行检测时也放在相 同的位置最为理想。 由于丝杠与工作台不为一体， 从 表 １ 看到， 丝杠发热程度与工作台不同步， 丝杆达到 热稳定状态时， 工作台表面温度与之相差 １ ℃左右， 因工作台面积远大于作为 “发热体” 丝杆的面积， 工作台表面的温度是不均匀的， 为了获得与供方／ 制 造厂一致的补偿效果， 其他相关方检测时最好索取当 初调试机床时传感器放置位置的信息。 ４ 小结 国家标准 ＧＢ／ Ｔ１７４２１􀆱 ２⁃２０００ 虽然规定了详细的 数控轴线的定位精度和重复定位精度的检测方法， 但 同时也要求检测前须确认很多条件， 机床评价方必须 予以重视和落实才能获得准确的测量结果。 从标准的 要求和此次试验结果看， 为了准确测量半闭环伺服控 制系统数控机床的位置精度， 至少应关注如下两个 方面 （１） 适当的升温条件比如循环次数、 空运转时 间、 进给速度等， 必须在检测前确定好， 保证把因机 床热状态不稳定对测量结果造成的影响降至最低。 如 果不能获得合适的升温条件数据， 则检验前不能凭经 验随意进行升温， 最好从冷态开始连续进行多次测 量， 直至获得稳定的测量结果为止。 （２） 目前 ＮＤＥ 修正的方法主要采用激光干涉仪 的温度传感器配件进行补偿， 补偿的效果取决于材料 传感器的数量、 放置位置以及选定的丝杠有效热膨胀 系数。 为了获取较好的补偿效果， 建议使用两件材料 传感器并放置在供方调试机床时的位置进行测量， 同 时要选择供方提供的热膨胀系数。 参考文献 ［１］ 王爱玲，白恩远，赵学良，等．现代数控机床［Ｍ］．北京 国防工业出版社，２００３． ［２］ 龚仲华．数控机床故障诊断与维修 ５００ 例［Ｍ］．北京机 械工业出版社，２００４． ３５１第 ２２ 期李志宏 等 基于激光干涉仪机床位置精度检测准确性的分析