張 旭 陳 帥 楊麗敏 張 猛

（通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000）

本試驗(yàn)樣機(jī)作為國內(nèi)主流立式加工中心產(chǎn)品，其X、Y和Z軸均采用獨(dú)特的直線滾動導(dǎo)軌，整機(jī)配有自動刀具交換系統(tǒng)（ATC）、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及便攜式手動操作裝置（MPG），具有高精度、高速度、高自動化和高可靠性等特點(diǎn)[1]，且操作簡單，造型美觀大方。廣泛應(yīng)用于軍工、汽車、模具和機(jī)械制造等行業(yè)的箱體零件、殼體零件和盤形零件的加工，零件經(jīng)過一次裝夾后可完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸和攻絲等多工序加工。

將該試驗(yàn)樣機(jī)匹配廣州數(shù)控智能系統(tǒng)[2]，以其整體為研究對象。為了驗(yàn)證該機(jī)床在精度方面的可靠性，選用雷尼紹激光干涉儀、雷尼紹球桿儀[3-5]對其線性軸及圓弧精度等[6-10]重要指標(biāo)進(jìn)行測試。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在大連機(jī)床中試車間試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)床用調(diào)平墊鐵調(diào)好水平，未用地腳螺釘固定，測試儀器選用經(jīng)國家指定計(jì)量部門鑒定的雷尼紹激光干涉儀和雷尼紹球桿儀，機(jī)床潤滑裝置按機(jī)床使用說明書要求注入指定牌號潤滑油和液壓油。整機(jī)效果如圖1所示。

圖 1 某型號立式加工中心

2 線性軸精度及圓弧精度測量

2.1 線性軸精度測量

2.1.1 試驗(yàn)條件及方法

采用XL-80型Renishaw激光干涉儀，對機(jī)床的X、Y和Z三軸位置精度進(jìn)行測量，通過無補(bǔ)償測量結(jié)果生成補(bǔ)償數(shù)據(jù)，確認(rèn)螺距誤差補(bǔ)償生效后再進(jìn)行3次測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

參考《GB/T 18400.4-2010 加工中心檢驗(yàn)條件第4部分：線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)》、《GB/T 17471.2-2000 機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分：數(shù)控軸線定位精度和重復(fù)定位精度的確定》、合格證、內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核。該系列加工中心產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 線性軸線行程至2 000 mm的定位精度公差表

2.1.2 系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償原理

數(shù)控機(jī)床軟件誤差補(bǔ)償包括反向間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償。螺距誤差補(bǔ)償分單向和雙向補(bǔ)償兩種,單向補(bǔ)償為進(jìn)給軸正反向移動采用相同的數(shù)據(jù)補(bǔ)償,雙向補(bǔ)償為進(jìn)給軸正反移動分別采用各處不同的數(shù)據(jù)補(bǔ)償。廣州數(shù)控系統(tǒng)采用單向螺距誤差補(bǔ)償。

數(shù)控機(jī)床軟件螺距誤差補(bǔ)償原理是在機(jī)床的座標(biāo)系中，無補(bǔ)償?shù)臈l件下，在軸線測量行程內(nèi)將測量行程等分成若干段，每一段的長度叫步長，機(jī)床按照所分的步長移動，用激光干涉儀測量出各個(gè)目標(biāo)位置，然后分析定位誤差、重復(fù)定位誤差和位置離散度等精度指標(biāo)。

具體方法是根據(jù)測量計(jì)算出各目標(biāo)位置的平均位置偏差，把平均位置偏差輸入到螺距誤差補(bǔ)償文件，把螺距誤差補(bǔ)償文件裝載到控制系統(tǒng)中，再次進(jìn)行螺距誤差測量。系統(tǒng) CNC 在計(jì)算目標(biāo)位置時(shí)讀入螺距誤差補(bǔ)償文件，自動將目標(biāo)位置的平均位置偏差疊加到插補(bǔ)指令上，使前次測量出的誤差部分抵消，最終實(shí)現(xiàn)誤差的補(bǔ)償。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）X軸測試結(jié)果

應(yīng)用雷尼紹激光干涉儀對X軸進(jìn)行測試，通過試驗(yàn)結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出X軸原始狀態(tài)下（無補(bǔ)償）定位精度及重復(fù)精度分析曲線，如圖2所示。

圖 2 X軸無補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖2中可見：雙向定位精度A為0.048 719 mm，單向定位精度A↑為 0.047 337 mm，A↓為 0.047 080mm，單向重復(fù)R↑為 0.001 514 mm，R↓為 0.001 600 mm，系統(tǒng)偏差E為0.048 100 mm，均偏差范圍M為 0.046 783 mm，反向差值B為 0.001 367 mm。為驗(yàn)證數(shù)控智能系統(tǒng)補(bǔ)償后在精度方面的可靠性，現(xiàn)對測試結(jié)果進(jìn)行分析并生成螺距補(bǔ)償表，根據(jù)補(bǔ)償表中數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行螺距數(shù)值補(bǔ)償，補(bǔ)償后進(jìn)行3次測量，定位精度與重復(fù)精度分析曲線如圖3所示。

圖 3 X軸補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

對X軸進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償后通過曲線分析可知：雙向定位精度A為0.004 685 mm，單向定位精度A↑為 0.004 285 mm，A↓為 0.003 349 mm，單向重復(fù)精度R↑為 0.001 222 mm，R↓為 0.001 405 mm；系統(tǒng)偏差E為 0.004 067 mm，均偏差范圍M為 0.003 050 mm，反向差值B為0.001 433 mm，試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)低于內(nèi)控及國家標(biāo)準(zhǔn)。其中雙向定位精度A比原來減小0.044 034 mm，精度提高了90%；單向定位精度A↑和A↓比補(bǔ)償前分別減小 0.043 052 mm 和 0.043 731 mm，精度分別提高了91%和93%；單向重復(fù)精度R↑和R↓比補(bǔ)償前分別減小了 0.000 292 mm 和 0.000 195 mm，精度分別提高了19%和12%；系統(tǒng)偏差E比補(bǔ)償前減小了0.044 033 mm，精度提高了92%；均偏差范圍M比補(bǔ)償前減小了0.043 733 mm，精度提高了93%。

（2）Y軸測試結(jié)果

對Y軸進(jìn)行3遍測量，通過試驗(yàn)結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出Y軸原始狀態(tài)下（無補(bǔ)償）定位精度及重復(fù)精度分析曲線，如圖4所示。

圖4中可見：雙向定位精度A為0.032 329 mm，單向定位精度A↑為 0.029 965 mm，A↓為 0.028 519 mm，單向重復(fù)R↑為0.004 027 mm，R↓為0.002 894 mm，系統(tǒng)偏差E為 0.031 867 mm，均偏差范圍M為 0.028 417 mm，反向差值B為0.004 00 mm。通過測量結(jié)果對Y軸進(jìn)行螺距補(bǔ)償，且補(bǔ)償后進(jìn)行3遍激光檢測，測試后定位精度和重復(fù)定位精度分析曲線如圖5所示。

圖 4 X軸無補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖 5 Y軸補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

Y軸補(bǔ)償后曲線分析可知：雙向定位精度A為0.003 769 mm，單向定位精度A↑為 0.003 630 mm，A↓為 0.003 323 mm，單向重復(fù)精度R↑為 0.003 630 mm，R↓為 0.002 309 mm；系統(tǒng)偏差E為 0.002 067 mm，均偏差范圍M為0.001 050 mm，反向差值B為0.001 367 mm，試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)低于內(nèi)控及國家標(biāo)準(zhǔn)。其中雙向定位精度A比原來減小0.028 56 mm，精度提高了88%；單向定位精度A↑和A↓比補(bǔ)償前數(shù)值分別減小了 0.026 335 mm 和 0.025 196 mm，精度分別提高了89%和88%；單向重復(fù)精度R↑和R↓比補(bǔ)償前分別減小了 0.000 585 mm 和 0.000 195 mm，精度分別提高了10%和20%；系統(tǒng)偏差E比補(bǔ)償前減小了0.029 800 mm，精度提高了94%；均偏差范圍M比補(bǔ)償前減小了0.027 367 mm，精度提高了96%；反向差值B比補(bǔ)償前減小了0.002 633 mm，精度提高了66%。

（3）Z軸測試結(jié)果

對Z軸進(jìn)行3遍測量，通過試驗(yàn)結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出Z軸原始狀態(tài)下（無補(bǔ)償）定位精度及重復(fù)精度分析曲線，如圖6所示。

圖 6 Z軸無補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

圖6中可見：雙向定位精度A為0.019 798 mm，單向定位精度A↑為 0.019 672 mm，A↓為 0.019 775 mm，單向重復(fù)R↑為 0.001 804 mm，R↓為 0.001 833 mm，系統(tǒng)偏差E為0.018 933 mm，均偏差范圍M為0.018 750 mm，反向差值B為 0.000 433 mm。通過對Z軸進(jìn)行螺距補(bǔ)償，且補(bǔ)償后進(jìn)行3遍激光測量，測量后定位精度和重復(fù)定位精度分析曲線如圖7所示。

圖 7 Y軸補(bǔ)償定位精度和重復(fù)精度分析曲線

經(jīng)過對Z軸進(jìn)行補(bǔ)償后通過曲線分析可知：雙向定位精度A為0.002 700 mm，單向定位精度A↑為 0.002 388 mm，A↓為 0.002 700 mm，單向重復(fù)精度R↑為 0.001 617 mm，R↓為 0.001 665 mm；系統(tǒng)偏差E為 0.001 700 mm，均偏差范圍M為 0.001 400 mm，反向差值B為0.000 467 mm，試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)低于內(nèi)控及國家標(biāo)準(zhǔn)。其中雙向定位精度A比原來減小0.017 098 mm，精度提高了86%；單向定位精度A↑和A↓比補(bǔ)償前分別減小 0.017 284 mm 和 0.017 075 mm，精度分別提高了88%和86%；單向重復(fù)精度R↑和R↓比補(bǔ)償前分別減小了 0.000 187 mm 和 0.000 168 mm，精度分別提高了10%和9%；系統(tǒng)偏差E比補(bǔ)償前減小了0.017 233 mm，精度提高了91%；均偏差范圍M比補(bǔ)償前減小了0.017 35 mm，精度提高了93%。

經(jīng)過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步證明：應(yīng)用于該型號立式加工中心的廣州數(shù)控智能系統(tǒng)各線性軸進(jìn)行補(bǔ)償后，機(jī)床精度有顯著提升。

2.2 圓弧插補(bǔ)精度測量

2.2.1 試驗(yàn)條件及方法

（1）按照使用說明書標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行雷尼紹球桿儀安裝布置，現(xiàn)場僅進(jìn)行X-Y平面測試。

（2）編輯并生成數(shù)控程序，設(shè)置機(jī)床進(jìn)給條件，分別在F1000 mm/min 及F2000 mm/min 條件下進(jìn)行順逆圓各兩次測量。

（3）開始測試，檢測電腦通過藍(lán)牙與球桿儀設(shè)備進(jìn)行連接，啟動程序并開始數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)場檢測實(shí)物圖如圖8所示。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Renishaw QC-20W型球桿儀對該型號立式加工中心的圓弧精度進(jìn)行測試，測試直徑選用φ300 mm（半徑R150 mm）的球桿。

（1）進(jìn)給F1000 mm/min條件下測試結(jié)果

在進(jìn)給F1000 mm/min條件下進(jìn)行順逆圓各2次測量。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前，球桿儀診斷的順逆圓度最大偏差分析圖分別如圖9所示。

圖 8 球桿儀檢測實(shí)物圖

圖 9 F1000-優(yōu)化前最大圓度偏差分析圖

Renishaw球桿儀數(shù)據(jù)分析是根據(jù)GB/T17421.4規(guī)范計(jì)算，從測試結(jié)果可以看出：在進(jìn)給F1000 mm/min條件下順時(shí)針（CW）最大圓度偏差值Gyx為14.1 μm，逆時(shí)針（CCW）最大圓度偏差值Gxy為13.9 μm，通過對球桿儀診斷值進(jìn)行分析，問題主要表現(xiàn)在反向間隙、反向躍沖、比例不匹配及伺服不匹配4個(gè)方面誤差項(xiàng)：球桿儀診斷分析Y向反向間隙值為8.1 μm，將其輸入到廣州數(shù)控系統(tǒng)反向間隙參數(shù)號4121#中；反向越?jīng)_值過大通過調(diào)整廣州數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)增益參數(shù)號4209#、速度比例增益號4205#、電流環(huán)積分參數(shù)號4260#三方面數(shù)值；比例不匹配通過對螺距誤差補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整；伺服不匹配通過對系統(tǒng)切削進(jìn)給加減速參數(shù)號1480#及1481#進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次調(diào)整優(yōu)化后進(jìn)行再次測試，測試結(jié)果如圖10所示。

從圖中可以看出：系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后順時(shí)針（CW）最大圓度偏差值Gyx為6.1 μm，逆時(shí)針（CCW）最大圓度偏差值Gxy為5.2 μm，測量結(jié)果遠(yuǎn)低于內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。其中順時(shí)針最大圓度偏差Gyx變?yōu)樵瓉淼?.43倍，數(shù)值減小了8.0 μm，精度提高了57%；逆時(shí)針最大圓度偏差Gxy變?yōu)樵瓉淼?.37倍，數(shù)值減小了8.7 μm，精度提高了63%。

圖 10 F1000-優(yōu)化后最大圓度偏差分析圖

（2）進(jìn)給F2000 mm/min條件下測試結(jié)果

在進(jìn)給F2000 mm/min條件下進(jìn)行順逆圓各2次的測量。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前，球桿儀診斷的順逆圓度最大偏差分析圖分別如圖11所示。

Renishaw球桿儀數(shù)據(jù)分析是根據(jù)GB/T17421.4規(guī)范計(jì)算，從測試結(jié)果可以看出：在進(jìn)給F2000 mm/min條件下順時(shí)針（CW）最大圓度偏差值Gyx為12.9 μm，逆時(shí)針（CCW）最大圓度偏差值Gxy為12.6 μm，通過對球桿儀診斷值進(jìn)行分析，問題體現(xiàn)在反向間隙、反向躍沖和伺服不匹配3方面誤差項(xiàng)占比較高（優(yōu)化方法同上），經(jīng)過對系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后再次進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12中可見：系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后順時(shí)針（CW）最大圓度偏差值Gyx為5.5 μm，逆時(shí)針（CCW）最大圓度偏差值Gxy為4.5 μm，測量結(jié)果遠(yuǎn)低于內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。其中順時(shí)針最大圓度偏差Gyx變?yōu)樵瓉淼?.42倍，數(shù)值減小了7.4 μm，精度提高了56%；逆時(shí)針最大圓度偏差Gxy變?yōu)樵瓉淼?.35倍，數(shù)值減小了8.1 μm，精度提高了65%。

圖 11 F2000-優(yōu)化前最大圓度偏差分析圖

圖 12 F2000-優(yōu)化后最大圓度偏差分析圖

通過對廣州數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在進(jìn)給F1000 mm/min 及F2000 mm/min 條件下圓弧插補(bǔ)精度有了顯著改善，進(jìn)一步證明了應(yīng)用于筆者公司自主生產(chǎn)某型號立式加工中心的廣州數(shù)控系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

3 結(jié)語

廣州數(shù)控智能系統(tǒng)應(yīng)用于筆者公司自主生產(chǎn)的某型號立式加工中心在精度方面效果顯著：線性軸精度及圓弧精度均有顯著提高，這對于該型號的加工中心批量生產(chǎn)提供有力依據(jù)。

（1）經(jīng)過補(bǔ)償后：X、Y、Z三軸雙向定位精度A分別提高了90%、88%、86%，平均提高88%；系統(tǒng)偏差E分別提高了92%、94%、91%，平均提高92.3%；均偏差范圍M分別提高了93%、96%、93%，平均提高94%。

（2）經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后：在進(jìn)給F1000 mm/min條件下順時(shí)針最大圓度偏差Gyx變?yōu)樵瓉淼?.43倍，精度提高了57%，逆時(shí)針最大圓度偏差Gxy變?yōu)樵瓉淼?.37倍，精度提高了63%；進(jìn)給F2000 mm/min條件下順時(shí)針最大圓度偏差Gyx變?yōu)樵瓉淼?.42倍，精度提高了56%，逆時(shí)針最大圓度偏差Gxy變?yōu)樵瓉淼?.35倍，精度提高了65%。