文章编号:1001-2265(2006)11-0060-03收稿日期:2006-03-15;修回日期:2006-06-19 *基金项目:浙江省科技计划项目(2005E10049)作者简介:曹永洁(1982)),男,浙江台州人,浙江大学机械制造及其自动化专业硕士研究生,主要研究方向为数控机床误差检测技术相关研究,(E -m ail)donall ove @163.co m 。
数控机床定位精度检测方法比较*曹永洁1,2,傅建中1(1.浙江大学现代制造工程研究所,杭州 310027;2.上海工程技术大学高等职业技术学院,上海200437)摘要:评定机床性能的一项重要指标是机床的定位精度大小。
文章介绍了两种常用的数控机床定位误差测量方法:一维球列法和激光干涉仪测量法的原理。
在分析比较了两种方法的特点后,得出一维球列法在测量机床定位误差时的一些不足。
同时,通过对一台数控铣床的测量后,发现激光干涉仪测量法更适合于机床定位精度的快速评定。
关键词:数控机床;定位精度;检测;激光干涉仪中图分类号:TP206+.1 文献标识码:AC o m par ison of L i n ear Positioning A ccuracy M easure m entM ethods i n M achine ToolsC AO Yong -jie 1,2,F U Ji a n -zhong1(1.Depart m ent o fm echan ica lEng i n eeri n g ,Zhejiang U niversity ,H angzhou ,310027Ch i n a ;2.Shangha iUn-iversity of Eng ineeri n g Sc ience Shangha i200437,China)Abst ract :Linear positi o ning accuracy is a sign ificant para m eter i n accessing m ach i n e too ls capability .This pa -per presents t h e pri n ciple o f positi o ning errorsm easure m entm ethods by usi n g 1-D ball array and laser i n terfer -o m eter .A fter characteristic co mparison o f t h is t w o m ethods ,there r 'e so m e deficiency in the 1-D ball array .M ean -w hile ,w e found that t h e latter one is m ore su itable for m easuring m ach i n e too ls li n ear position i n g accuracy after i n specti n g a vertica lm illing m achi n e by usi n g the laser i n terfero m eter .K ey w ords :m ach i n e too ls ;positi o ning accuracy ;m easure m en;t laser i n terfero m eter0 概述数控机床精度是影响被加工工件尺寸精度的一个直接原因,提高工件加工精度,首先要提高机床精度,影响数控机床精度的主要因素为机床零部件和结构的几何误差,工件的最终加工精度是由机床刀具与工件之间的相对位移误差决定的[1]。
定位精度是指数控工作台部件在要求的终点所达到的实际位置的精度,实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。
它包括伺服系统、检测系统、工作台进给系统的误差和工作台导轨的几何误差,它影响加工零件的位置精度。
数控机床的定位精度,是评定机床性能的一项重要指标。
在机床几何误差检测时,按照检测设备的结构特点和工作原理,可以把误差检测方法分为两类:第一类是接触式误差测量方法,主要有一维球列法、球柄仪法(DBB )等。
经过误差参数辨识后,这类检测方法可以直接测量各个误差元,测量精度高,操作简便,设备成本低,但该类方法在测量时,由于检测设备与机床相接触,在检测过程中带入了接触变形和磨损等误差。
第二类是非接触式误差测量方法,主要有正交光栅检测及分离法、激光干涉测量法等。
这类检测方法测量精度高,实时性强,检测速度快,操作界面友好,软件处理系统功能强大,但检测的周期相对较长。
本文将分别介绍两类方法的代表:一维球列法和激光干涉仪法[2-5]。
1 一维球列定位误差测量原理一维球列的结构如图1所示,在刚度很大的杆上,镗一系列尺寸相同的定位孔,在上面粘接一些尺寸相同、球度误差很小的钢球,就构成了一维球列。
装在主轴上的三维测头在三个互相垂直方向上同时瞄准球心,以获得三维测头感受球心的位置,即为该球心的测量值。
机床沿X 轴运动,三维测头依次测量杆上所有经过高精度激光干涉比较仪标定的钢球,将球心距的#控制与检测#组合机床与自动化加工技术标定值作为参考值,测量值与球心距的参考值之差即为机床定位误差[2]。
定位误差计算公式为:图1 一维球列测量X 轴定位精度示意图D x (x i )=X i -L i(1)式中:X i )))三维测头对一维球列球心距的测量值;L i )))一维球列球心距参考值;D x (x i ))))X 轴在节点i 处的定位误差。
2 激光干涉仪线性定位误差测量原理频率相同的两列波叠加,是某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,并且振动加强和减弱的区域互相间隔,这种现象叫做波的干涉。
以Renisha w ML10激光干涉仪测量机床的线性位移误差为例,其测量原理如图2所示。
激光束①由ML 10激光发射器产生,这一束单频激光波长能够达到632.9906n m,在真空状态下,波长稳定性在长时间范围内能够优于0.1pp m 。
当这一束激光到达分光镜时,它被分裂成反射光束②和发射光束③。
这两束光传播到反射镜后,都被反射到分光镜的同一个位置,分光镜对两个光束进行调制后,直接把光束④传送到激光发射器中,从而使这两束光在探测器中产生干涉条纹[5]。
根据光的叠加和干涉原理,凡光程差等于波长整数倍的位置,振动加强,产生明条纹(如图3a 图所示);凡光程差等于半波长奇数倍的位置,振动减弱,产生暗条纹(如图3b 图所示)。
图2 激光干涉仪线性定位误差测量原理图在使用激光干涉仪进行线性定位误差测量时,分光镜或反射镜之一保持静止,另一个光学元件沿着线性轴线运动。
图2中,分光镜静止不动,反射镜沿着预定的方向运动。
把分光镜到激光发射器的距离作为参考值,当反射镜到激光发射器之间的距离发生变化时,激光发射器中条纹计数器的明条纹数值将会产生相应的变化。
反射镜到激光发射器之间的距离(d )等于条纹计数器中出现的明条纹数(n )乘以激光束的半个波长(K ):d =n @K2图3 光波叠加现象3 一维球列法和激光干涉仪法特性比较一维球列法和激光干涉仪法都能精确、快速的测量数控机床各轴的定位误差,其中,一维球列法造价低、操作和制造都很简单,用户可以自己制作,而且可同时测量机床三个方向的误差,效率很高。
但一维球列法在测量机床的定位误差时,需要手动调节数控机床主轴,不易于实现测量的自动化、高速化,同时,测量时的三维测头采用的是机械式触发测头,存在着一定的接触变形误差。
在不同的环境条件下,因为各个钢球和机床的热膨胀,测量出来的实验数据有比较大的出入,所以该方法在实际的应用中还有待提高。
激光干涉仪法虽然调试与安装比较繁琐,但是其检测时激光的光束发射角小、能量集中、单色性好,其产生的干涉条纹可用光电接收器接收,变为电信号并由计数器记录下来,从而提高了测量精度,极限精度为0.01L m 。
激光干涉仪不仅测量精度高,而且还具有环境补偿单元EC10,如图4所示。
有了环境补偿系统,所测得的实验数据具有一定的稳定性,能够更加真实的反映机床的定位精度。
同时,激光干涉仪的操作界面简单,软件处理系统功能强大,在检测系统的光路调试成功后,能够实现机床精度的自动化和高速化测量。
2006年第11期#控制与检测#激光干涉仪测量数控机床精度的框图如图5所示。
对机床定位误差测量的最为理想环境是使测量仪器和被检对象处于20e 的环境下,如不在20e 下,环境补偿单元EC10将自动通过软件系统修正环境温度和待测轴的热膨胀。
本文按照BG /T 17421.2-2000数字控制机床位置精度的评定方法,利用R enis ha w 激光干涉仪对一台三轴立式铣床的X 轴进行了多次定位误差测量,循环程序样本如表一所示,实测图如图6所示。
在没有环境补偿系统的条件下,该机床X 轴定位误差测量值分别为14.2L m,15.6L m,12.8L m;在有环境补偿系统的条件下,该机床X 轴定位误差测量值为10.3L m ,10.1L m,10.1L m 。
两次测量结果对比如图7所示。
从图中可以看出,没有环境补偿系统的条件下,其测量值分布不均,测量数据相差较大,相差最大的两个结果达到了2.8L m,三次测量平均值为14.2L m;在有环境补偿系统的条件下,其测量值分布均匀,测量数据相差很小,相差最大的两个结果为0.2L m,三次测量平均值为10.2L m 。
两个平均值相差4L m。
图6 数控铣床X 轴定位误差实测图4 结论经过多次实验分析和比较后,发现激光干涉仪法更适合于机床各轴定位精度的检测,测在不需要测量机床其它几何误差的条件下,该检测方法具有很高的效率。
对于三轴立式机床来说,一天时间内就可以完成三个轴的定位精度检测。
图7 X 轴定位精度测量结果对比图表1 X 轴标准循环程序样本P10;主程序N0010T11M 6G90;主轴不转N0020N05.99P0#20P1#30P2#25;调用预热程序并对子程序中变量赋值N0030M 00;程序暂停N0030N10.5P4#5;调用X 轴测试子程序并对子程序中变量赋值N0040G4P4N0050M 02;程序结束N05;预热子程序N0010G22N05N0020G1X0X0Z0F100N0030G1XP0YP1ZP2F300N0040X0X0Z0N0050G24;子程序结束N10;X 轴测量子程序N0010G22N10N0020G0X0Y0Z0;至目标位置P1N0030G4P4;停留并测量获得数据N0040X205.2500N0050G4P4N0060X410.7500N0070G4P4N0080X600.2500N0090G4P4N0100X820.7500N0110G4P4N0120X1000.0000N0130G4P4N0140X1100.0000(下转第71页)#控制与检测#组合机床与自动化加工技术图3 尺寸链图素影响发生变化的,所以无法按静态尺寸链下的加减法来计算出A 4和S 的和,而必须考虑整个尺寸链的尺寸在装配时是发生变化的,必须按动态尺寸链来进行计算。