姚雨良，趙 飛，張東升

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

基于球桿儀的空間誤差測(cè)量分析方法研究*

姚雨良，趙 飛，張東升

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

數(shù)控機(jī)床誤差的檢測(cè)對(duì)于提高機(jī)床加工精度具有重要的意義。在分析已有的空間測(cè)量方法之后，介紹了一種可用于測(cè)量機(jī)床空間圓運(yùn)動(dòng)軌跡誤差的測(cè)量?jī)x器——Renishaw QC20-W球桿儀，它可以創(chuàng)建典型的機(jī)床位置精度空間測(cè)量，獲得總體圓度誤差值等信息，為實(shí)施圓軌跡的誤差補(bǔ)償打下基礎(chǔ)。

球桿儀;圓運(yùn)動(dòng);空間測(cè)量;數(shù)控機(jī)床

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，零件的加工要求更加精密化，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了更高的加工精度要求。提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，減小加工誤差，主要有兩條途徑:誤差預(yù)防和誤差補(bǔ)償［1］。由于單純使用誤差預(yù)防方法有一定的局限性，且成本高昂，因此通常采用輔以誤差補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。而誤差補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)誤差的精確識(shí)別，對(duì)于多軸數(shù)控機(jī)床、加工中心一類裝備來(lái)說(shuō)，由于其空間運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響了工件的加工精度［2］，因而對(duì)其進(jìn)行精度檢測(cè)和誤差溯源就顯得尤為重要。

本文通過(guò)對(duì)Renishaw QC20-W球桿儀的空間測(cè)量應(yīng)用，以某一參考點(diǎn)為中心，利用“部分圓弧測(cè)試”方式在三個(gè)正交平面上執(zhí)行球桿儀測(cè)試而無(wú)需重新調(diào)整中心座位置，保證所有測(cè)量數(shù)據(jù)均圍繞同一參考點(diǎn)來(lái)采集，然后顯示“球度”數(shù)值結(jié)果和最大、最小總體圓度值，以及各個(gè)測(cè)試圓度結(jié)果，從而創(chuàng)建典型的空間位置精度測(cè)量。

1 數(shù)控機(jī)床誤差檢測(cè)方法

根據(jù)機(jī)床精度檢測(cè)方法和誤差參數(shù)辨識(shí)過(guò)程來(lái)分，誤差測(cè)量方法有三種:直接測(cè)量法，間接測(cè)量法和綜合誤差測(cè)量參數(shù)辨識(shí)法。

直接測(cè)量法測(cè)量精度高，可以直接測(cè)量各個(gè)誤差元，但該方法的測(cè)量周期長(zhǎng)，測(cè)試成本昂貴，且操作過(guò)于復(fù)雜，對(duì)測(cè)量人員要求有較高的技術(shù)水平;間接測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量機(jī)床所加工工件的誤差值，來(lái)獲取機(jī)床精度信息。該方法對(duì)專用機(jī)床有一定的實(shí)用性，對(duì)通用機(jī)床顯得信息量不足，且由于包含了試件材料、加工工藝過(guò)程等不確定因素，使問(wèn)題變得復(fù)雜。

綜合誤差測(cè)量參數(shù)辨識(shí)法是對(duì)機(jī)床工作區(qū)域內(nèi)空間特定點(diǎn)的定位誤差進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)數(shù)學(xué)建模來(lái)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行辨識(shí)，從而分離得到機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差值。具體的幾種參數(shù)辨識(shí)方法有:基準(zhǔn)棒——單項(xiàng)微位移法;基準(zhǔn)圓盤——雙向微位移計(jì)測(cè)頭法;球桿儀法;全周電容——圓球法;二連桿機(jī)構(gòu)——角編碼器法;四連桿機(jī)構(gòu)法;平面正交光柵測(cè)量法［2］;R-Test測(cè)量裝置法［3］和沿體對(duì)角線的機(jī)床誤差激光矢量測(cè)量等方法。其中以球桿儀法和平面正交光柵法為代表。

1982年J.B.Bryan首先發(fā)明了球桿儀，該方法操作簡(jiǎn)易、測(cè)量速度快，且信息量大，可以完成對(duì)機(jī)床的“一日測(cè)試”，因此受到廣泛的重視［4］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在球桿儀的研究方面作了大量工作，目前在運(yùn)用球桿儀進(jìn)行圓測(cè)法試驗(yàn)時(shí)，主要有兩方面的途徑，直接運(yùn)用已有的球桿儀和運(yùn)用改進(jìn)型球桿儀進(jìn)行圓測(cè)法試驗(yàn)。

日本M.Tsutsumi等利用球桿儀進(jìn)行三軸(2個(gè)線性軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸)、四軸(2個(gè)線性軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸)聯(lián)動(dòng)測(cè)試，成功實(shí)現(xiàn)了五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸8個(gè)誤差(A軸的1個(gè)線性度、2個(gè)直線度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)度誤差，A與C軸的垂直度誤差和Y方向上的軸線偏差)的辨識(shí)和分離［5-6］;加拿大 S.H.H.Zargarbashi等提出基于球桿儀的旋轉(zhuǎn)軸五步測(cè)試法，實(shí)現(xiàn)五個(gè)誤差(A軸的2個(gè)直線度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)度誤差)的測(cè)量［7］。

國(guó)內(nèi)對(duì)這一方法的研究也很多，臺(tái)灣國(guó)立清華大學(xué)W.T.Lei等開(kāi)發(fā)了一種新穎的測(cè)量裝置——3D Probe-Ball和機(jī)床幾何誤差標(biāo)定方法，用來(lái)識(shí)別進(jìn)給軸誤差并進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)床精度提高了90%［8］;華中科技大學(xué)劉煥牢等針對(duì)現(xiàn)有球桿儀無(wú)法測(cè)量角度誤差的缺陷，研制了一種新的幾何誤差測(cè)量?jī)x器:二維球桿儀［10］。

由于已有的球桿儀只適用于兩軸聯(lián)動(dòng)的平面圓軌跡測(cè)試結(jié)果，若想得到空間三維的變化量，則需要通過(guò)特別的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此引入了中間誤差，使得結(jié)果不理想。針對(duì)上述問(wèn)題，Renishaw公司推出了具有空間測(cè)試能力的新一代產(chǎn)品:QC20-W球桿儀。

2 球桿儀測(cè)量原理和檢測(cè)方法

2.1 QC-20W球桿儀結(jié)構(gòu)和原理

QC20-W球桿儀由一個(gè)安裝在可伸縮纖維桿內(nèi)的高精度直線位移傳感器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，中心座固定在工作臺(tái)上，球桿儀一端小球通過(guò)與之有三點(diǎn)接觸的工具杯和中心座吸附相聯(lián)，位移傳感器連接桿另一端的小球，通過(guò)同樣的工具杯和主軸端相連。當(dāng)桿長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)桿移入線圈，感應(yīng)系數(shù)發(fā)生變化，檢測(cè)電路將電感信號(hào)轉(zhuǎn)變成位移信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙(Bluetooth)模塊輸送至匹配的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，使QC20-W可用于“防護(hù)門關(guān)閉”狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。

球桿儀采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Renishaw Ballbar20軟件分析之后就可以快速診斷和量化機(jī)床定位誤差，包括伺服不匹配、爬行誤差、反向間隙、重復(fù)精度和比例不匹配，以及最大偏差量、球度和總體圓度等空間精度誤差值。Yoshiaki Kakino及其合作者對(duì)運(yùn)用球桿儀進(jìn)行圓測(cè)法所測(cè)得的徑向誤差和機(jī)床空間點(diǎn)P(X，Y，Z)之間的關(guān)系式［11］:

其中，EX、EY、EZ是空間點(diǎn) P(X，Y，Z)在三個(gè)軸上的誤差分量。該關(guān)系式奠定了進(jìn)一步理論研究的基礎(chǔ)，已為多數(shù)學(xué)者所采用。

QC20-W球桿儀具體系統(tǒng)參數(shù)如表1所示［12］。

表1 QC20-W球桿儀具體系統(tǒng)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于球桿儀的兩軸聯(lián)動(dòng)的平面圓軌跡測(cè)試已有很多文獻(xiàn)研究，因此不再贅述。在此主要介紹機(jī)床位置精度的空間測(cè)量分析。

本實(shí)驗(yàn)基于康鋮KMC550三軸數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床的主要系統(tǒng)指標(biāo)如表2所示。

表2 康鋮KMC550數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示，選擇XY平面上某一參考點(diǎn)為中心，固定好底座之后，利用“圓弧測(cè)試”和“部分圓弧測(cè)試”在XY、ZX、YZ三個(gè)正交平面上依次執(zhí)行球桿儀測(cè)試而無(wú)需重新調(diào)整中心座位置，保證所有數(shù)據(jù)均圍繞同一個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行采集(注:QC10球桿儀不能進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試)。球桿儀的測(cè)量軌跡如圖2所示。

圖1 QC20-W球桿儀空間測(cè)試過(guò)程

圖2 球桿儀的測(cè)量軌跡

具體步驟如下所示:

(1)在XY平面進(jìn)行360度(越程45度)測(cè)量;

(2)在ZX平面進(jìn)行220度(越程2度)測(cè)量;

(3)在YZ平面進(jìn)行220度(越程2度)測(cè)量;

(4)每個(gè)平面以不同速率和不同的量程分別進(jìn)行兩組測(cè)量并保存數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 球桿儀的安裝

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)好之后，應(yīng)用QC20-W球桿儀分別對(duì)三軸數(shù)控機(jī)床的三個(gè)正交平面進(jìn)行測(cè)試，球桿儀的具體安裝步驟為:

(1)將球桿儀主軸工具杯安裝到主軸上，緊固;

(2)移動(dòng)主軸到測(cè)試軌跡圓圓心位置;

(3)將設(shè)置球放置在球桿儀的中心座杯上，將中心座的緊固拉桿處在松開(kāi)位置;

(4)將球桿儀中心座安裝到工作臺(tái)上，位置在圓心處，即主軸正下方;

(5)慢慢下降主軸位置，并不斷調(diào)整球桿儀中心座位置，使設(shè)置球和中心座杯受磁力自由吸附到主軸工具杯上，使設(shè)置球球心和主軸軸心在同一直線上;

(6)旋緊球桿儀中心座上的緊固拉桿，記錄機(jī)床坐標(biāo)位置并將其設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn);

(7)(9)操作機(jī)床，使主軸位置上升2～5cm，并將設(shè)置球取下放置在儀器箱中;

(8)(10)操作機(jī)床，平移主軸至測(cè)試起點(diǎn)上方，然后下降至測(cè)試起點(diǎn)坐標(biāo)位置處;

(11)旋開(kāi)球桿儀開(kāi)關(guān)，并將測(cè)試連桿架設(shè)至圖示位置。

圖3 球桿儀安裝示意圖

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在室溫20°C和機(jī)床空載初始狀態(tài)下進(jìn)行，忽略機(jī)床的熱變形誤差和主軸刀具端的熱漂移誤差。注意在安裝過(guò)程中必須避免發(fā)生撞擊，否則將嚴(yán)重?fù)p壞球桿儀的測(cè)試精度。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試完成之后，分析實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)和圖像。

表格3和圖4分別為Renishaw Ballbar20軟件分析得出的數(shù)據(jù)和圖像。其中偏差是指球桿儀所測(cè)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與名義軌跡半徑之差;圓度指球桿儀在測(cè)量中所測(cè)得的最大半徑和最小半徑之差;球度是指球桿儀所測(cè)得的最大偏差量和最小偏差量之差。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試康鋮KMC550三軸數(shù)控機(jī)床的空間位置精度

圖4 球桿儀測(cè)試結(jié)果截圖

通過(guò)對(duì)康鋮KMC550機(jī)床進(jìn)行空間測(cè)量實(shí)驗(yàn)，證明了基于QC-20W球桿儀的空間測(cè)量方法簡(jiǎn)便有效，能夠檢測(cè)出數(shù)控機(jī)床作圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)的球度誤差，最大和最小偏差量的大小和方位。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床的幾何誤差直接影響機(jī)床定位精度和工件表面加工質(zhì)量。文中應(yīng)用QC20-W球桿儀快速創(chuàng)建典型的位置精度空間測(cè)量，獲得總體圓度誤差值等信息，為實(shí)施圓軌跡的誤差補(bǔ)償打下基礎(chǔ)，且具有檢測(cè)簡(jiǎn)單高效，設(shè)備價(jià)格較低廉的特點(diǎn)，為快速檢測(cè)提供了有力的工具，大大提高了機(jī)床的實(shí)用化程度。

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［12］2009 RENISHAW PLC.Renishaw.Ballbar Help.Ballbar 20HPS software.Version 5.0.

Space Error Measurement＆Analysis of CNC Machine Tools with Ballbar

YAO Yu-liang，ZHAO Fei，ZHANG Dong-sheng
(Xi’an Jiaotong University，School of Mechanical Engineering，Xi’an 710049，China)

The detection of the error of NC machine tools have great meaningful to improve the machining accuracy.After analysis of the existing space measuring methods,the Renishaw QC20-W ballbar,a measuring instrument for measuring spatial circle movement error of machine tools is introduced.It can measure a typical machine tool’s position accuracy,acquire the overall value ofroundness error and lay foundation for the implementation of the compensation of the circular trajectory error.

ballbar;circular motion;geometric measurement;CNC machine tools

TG156

A

1001-2265(2011)08-0072-04

2010-12-07

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX04014-023)

姚雨良(1986—)，男，山西人，西安交通大學(xué)碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)床幾何誤差辨識(shí)，(E-mail)yao.yu.liang@stu.xjtu.edu.cn。

(編輯 趙蓉)