數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究

林云川，程志遠(yuǎn)

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都610091）

0 引言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，常采用兼顧加工功能和測量功能的數(shù)控機(jī)床對大型復(fù)雜、高精度零件進(jìn)行加工，達(dá)到只需一次裝夾，便可對加工過程中的零件開展多次測量的目的。數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)有效提升了零件的整體加工效率和精度［1-2］。數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)包括機(jī)床系統(tǒng)、測量軟件和測頭系統(tǒng)，借助計算機(jī)的性能優(yōu)勢完善數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力［3-4］。數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)依托加工中心的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)對零件進(jìn)行測量，因此要保證加工中心的精度符合要求［5］。加工中心在自身重力和主軸受到的切削力的作用下，各機(jī)械傳動軸在使用過程中會出現(xiàn)一定的磨損和變形，導(dǎo)致加工中心整體精度下降，進(jìn)而影響數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的精度，因此需要對機(jī)床的線性軸線精度定期校準(zhǔn)［6］。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的高精度、高可靠性、低成本校準(zhǔn)，國內(nèi)外的專家學(xué)者依據(jù)實(shí)際技術(shù)要求開展了相關(guān)研究［7］。武漢計量測試檢定研究所的金京等人［8-9］提出了一種采用激光干涉儀和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)量塊的校準(zhǔn)方法，并將將應(yīng)用到坐標(biāo)測量機(jī)示值誤差的測量中。天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院的李青等人［10］提出了評定坐標(biāo)測量機(jī)校準(zhǔn)綜合誤差不確定度的方法。目前數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作主要存在以下兩方面問題:工作現(xiàn)場環(huán)境條件較差和校準(zhǔn)過程耗時較長。以三坐標(biāo)測量機(jī)為例，其常年處于恒溫20℃且無震動的測量機(jī)房中，而數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)所處的工作環(huán)境較復(fù)雜，現(xiàn)場環(huán)境溫度受季節(jié)、廠房空間以及零件搬運(yùn)工作等因素影響處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此必然會影響量塊校準(zhǔn)尺寸測量示值誤差的擴(kuò)展不確定度的評定。由于數(shù)控機(jī)床的種類繁多，不同型號的數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)相應(yīng)指令程序的編制與調(diào)用均有所差別，另外采用三維觸發(fā)式測頭對處于多空間方向量塊的端面進(jìn)行測量時，需要多次調(diào)整三維觸發(fā)式測頭姿態(tài)并校針，導(dǎo)致校準(zhǔn)效率較低。

為解決上述問題，本文分析了數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的計量特性和技術(shù)指標(biāo)要求，提出了數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法:采用激光干涉儀實(shí)測加工中心的線性軸線位移量，并以此作為定位精度補(bǔ)償基準(zhǔn)，結(jié)合補(bǔ)償程序計算出單位補(bǔ)償值，導(dǎo)入加工中心控制系統(tǒng)，降低位置示值誤差。以三維觸發(fā)式測頭為核心的數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)對成組球規(guī)進(jìn)行接觸式在線測量，對在線測量系統(tǒng)進(jìn)行多方向的長度示值誤差校準(zhǔn)，綜合評定得出在線測量系統(tǒng)的精度。

1 數(shù)控機(jī)床的技術(shù)要求及校準(zhǔn)、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)器

1.1 數(shù)控機(jī)床的技術(shù)要求

在數(shù)控機(jī)床的調(diào)平、幾何精度和功能檢驗(yàn)（21項(xiàng)誤差、軸回轉(zhuǎn)和軸間聯(lián)動精度）都完全符合技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，才能對其各軸線的定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行校準(zhǔn)。按照規(guī)定測量機(jī)床和檢測設(shè)備的代表性溫度，以便進(jìn)行對應(yīng)的溫度補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)在校準(zhǔn)環(huán)境中進(jìn)行恒溫處理，以降低溫度對測量不確定度的影響。

1.2 雙頻激光干涉儀

XL-80雙頻激光干涉儀（以下簡稱激光干涉儀）是一種以波長為標(biāo)準(zhǔn)對被測長度進(jìn)行度量的儀器，一般作為長度測量標(biāo)準(zhǔn)使用。校準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)時，架設(shè)激光干涉儀，調(diào)整光照情況，選擇合適的測量軟件參數(shù)（在設(shè)置激光干涉儀軟件參數(shù)時，確保越程、停留時間數(shù)值小于數(shù)控機(jī)床運(yùn)動程序里的對應(yīng)參數(shù)），加工中心每行進(jìn)一個步距，激光干涉儀實(shí)時記錄一個距離值，最后完成三次循環(huán)校準(zhǔn)。線性測量配置圖如圖1所示。一般選用德國標(biāo)準(zhǔn)VDI 3441或者國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2-2016生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和圖表。

圖1 線性測量配置圖

1.3 成組球規(guī)

為了降低溫度對標(biāo)準(zhǔn)器具尺寸測量示值誤差的影響，選用碳纖維材料作為長度標(biāo)準(zhǔn)器的底座，因?yàn)樘祭w維材料線膨脹系數(shù)極低，受溫度影響較??；為了簡化三維觸發(fā)式測頭測長的程序，選用球心距作為標(biāo)準(zhǔn)器具的名義尺寸，一方面球元素的測量不需要投影面，只需要調(diào)用測球或圓環(huán)的宏指令，使測頭在球體上測量5點(diǎn)，即可計算出球心位置，另一方面三維觸發(fā)式測頭在測量球心時無需多次調(diào)整姿態(tài)和校針。

陶瓷球與碳纖維材料底座組成的長度標(biāo)準(zhǔn)器稱為成組球規(guī)，如圖2所示。6個Φ25 mm陶瓷球安裝在碳纖維底座上，其中各球心相對第一球心的距離分別為100，200，500，760，1200 mm。

圖2 成組球規(guī)的示意圖

2 數(shù)控機(jī)床定位精度校準(zhǔn)技術(shù)

2.1 數(shù)控機(jī)床軸線運(yùn)動程序設(shè)置

參照數(shù)控機(jī)床各軸出廠補(bǔ)償文件，設(shè)置相應(yīng)間隔目標(biāo)點(diǎn)距離、每個目標(biāo)位置停留時間、機(jī)床運(yùn)動速度、在極限位置的越程距離和正向負(fù)向全行程的循環(huán)次數(shù)。以X軸為例，在開展數(shù)控機(jī)床校準(zhǔn)工作前，設(shè)置數(shù)控機(jī)床和激光干涉儀的相關(guān)參數(shù)如表1所示，測量循環(huán)路徑示意圖如圖3所示。

表1 數(shù)控機(jī)床和激光干涉儀的相關(guān)參數(shù)

2.2 鏡組安裝事項(xiàng)

依據(jù)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)要求，對其各線性軸定位精度進(jìn)行測量時，測量鏡組的安裝狀態(tài)將直接影響最終的測量結(jié)果，因此在測量的過程中將固定反射鏡組和可動反射鏡組分別安裝在機(jī)床的主軸和工作臺面上。如果主軸和工作臺面無可利用空間，則應(yīng)選擇穩(wěn)定可靠的貼合面，如線性軸導(dǎo)軌等，非穩(wěn)定部位的平面或?qū)к壊荒茏鳛闇y量鏡組安裝的貼合面。

圖3 測量循環(huán)路徑示意圖

測量鏡組的安裝狀態(tài)必須穩(wěn)定可靠，一般情況下借助磁性表座使其固定在數(shù)控機(jī)床的主軸或工作臺面上。當(dāng)主軸運(yùn)動時，應(yīng)避免出現(xiàn)抖動或者晃動，比如加工中心的吸氣裝置會導(dǎo)致測量點(diǎn)的波動較大，重復(fù)定位精度也因此受到影響，此時應(yīng)復(fù)查測量鏡組安裝位置的有效性和可靠性。

2.3 單邊全行程校準(zhǔn)

首先在數(shù)控機(jī)床主軸的單邊全行程起始點(diǎn)將激光干涉儀的實(shí)測值歸零，然后將數(shù)控機(jī)床的主軸運(yùn)動到單行程范圍的最大值，之后比較單軸坐標(biāo)值變化量與激光干涉儀的實(shí)測值之間的差值是否符合定位精度要求，從而決定是否開展定位精度補(bǔ)償。假如差值未達(dá)到定位精度要求，則開展一次來回行程的定位精度校準(zhǔn)。開展單邊全行程定位精度校準(zhǔn)可有效提升工作效率。

2.4 數(shù)控機(jī)床定位精度補(bǔ)償

當(dāng)數(shù)控機(jī)床的定位精度未達(dá)到技術(shù)要求時，需要補(bǔ)償其定位精度。關(guān)閉過去的補(bǔ)償文件，避免累加補(bǔ)償造成的計算復(fù)雜問題，之后通過激光干涉儀對數(shù)控機(jī)床的主軸進(jìn)行一次來回行程的定位精度校準(zhǔn)，采用測量軟件進(jìn)行定位誤差補(bǔ)償計算，依次選擇參數(shù):均值補(bǔ)償、絕對值、誤差值，繪制誤差補(bǔ)償圖表，獲得各間隔點(diǎn)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。采用RS-232接口自動傳輸或者手動寫入補(bǔ)償文件并生效執(zhí)行，最終保證三次循環(huán)校準(zhǔn)評價結(jié)果符合技術(shù)要求。以某型號數(shù)控機(jī)床的X軸為例，圖4所示為補(bǔ)償前、補(bǔ)償后單點(diǎn)誤差變化曲線。本型號設(shè)備定位精度的測量不確定度為U=0.4 μm+3.3×10-6ln（k=2）。

通過數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)定位精度補(bǔ)償，其相應(yīng)的測量精度能夠達(dá)到初始狀態(tài)的技術(shù)要求。當(dāng)線性軸的單點(diǎn)誤差變化往返曲線呈現(xiàn)交叉形態(tài)，且經(jīng)過多次補(bǔ)償后該現(xiàn)象仍未消除，說明數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)存在機(jī)械誤差，應(yīng)對數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)、調(diào)修后再開展補(bǔ)償工作。

圖4 補(bǔ)償前、補(bǔ)償后單點(diǎn)誤差變化曲線

3 在線測量系統(tǒng)長度示值誤差校準(zhǔn)技術(shù)

量值的溯源與傳遞是保證量值準(zhǔn)確可靠的重要手段，本文所涉及的量值傳遞關(guān)系圖如圖5所示。

采用在線測量系統(tǒng)的測頭測量成組球規(guī)的各組長度示值，評價測頭系統(tǒng)的綜合精度，其中包含的影響因素有:測頭直徑、長度的標(biāo)定準(zhǔn)確性、測針觸碰工件彎曲變形量、機(jī)床運(yùn)動部件定位誤差、環(huán)境及材料溫度。通過比較成組球規(guī)各球心之間的真實(shí)值與測量值的差值，綜合評價在線測量系統(tǒng)的長度示值誤差是否符合技術(shù)要求。

圖5 計量標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞關(guān)系圖

根據(jù)加工中心在線測量的范圍大小選擇3組球規(guī)作為標(biāo)準(zhǔn)值。通過調(diào)用球心或圓環(huán)的宏指令使測頭進(jìn)行在線測量，將球心坐標(biāo)換算成球心距的校準(zhǔn)值，再將校準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，評價長度的最大允許示值誤差MPEE是否滿足要求?？紤]到實(shí)際測量情況，將長度標(biāo)準(zhǔn)器放在加工中心的3個不同位置，每個位置選擇3組尺寸，各測量3次，共進(jìn)行27次測量。將27個校準(zhǔn)值與球心距的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計算出相應(yīng)的尺寸測量示值誤差。

依據(jù)出廠技術(shù)協(xié)議，五坐標(biāo)橋式加工中心的技術(shù)要求如下:定位精度誤差為±0.100 mm，重復(fù)性為0.035 mm，綜合誤差為±0.100 mm。

表3 五坐標(biāo)橋式加工中心長度示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果 mm

下面以球1與球4的球心距為例，其中成組球規(guī)第一球心與第四球心的真實(shí)距離為760.018 mm，其長度示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。經(jīng)過計算，重復(fù)性為0.015 mm，綜合誤差為0.009 mm，滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

對數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)問題進(jìn)行分析，提出一種采用激光干涉儀、成組球規(guī)進(jìn)行定位精度及長度示值誤差的校準(zhǔn)方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該方法可有效保證量值傳遞的可靠性，而且提升了校準(zhǔn)效率，可以有效控制在線測量的綜合精度，具有一定技術(shù)推廣價值。