隨著機床制造技術(shù)突飛猛進 地發(fā)展，數(shù)控機床市場需求量及 技術(shù)要求隨之日益提高。同時， 伴隨著市場競爭日趨激烈，要求 能在提高生產(chǎn)效率的同時，最大 限度地降低制造成本、縮短交貨 周期，并且保證機床的精度，因 此急需先進的檢測設(shè)備及精度優(yōu) 化的流程手段。
在影響機床加工精度的因素 中，起支配作用的是運動精度。 如果機床存在運動誤差，復(fù)映到 加工形式上，則會導(dǎo)致加工誤差 增大。所以，了解掌握機床的運 動精度對于精密加工而言不可或 缺。如果構(gòu)成機床設(shè)備的各零部 件尺寸、形狀精度低，則機床的 運動精度差。另外，安裝與調(diào)整 控制系統(tǒng)等對機床運動精度也有 影響。
作為國家科技重大專項 “高速/復(fù)合數(shù)控機床及關(guān)鍵技 術(shù)創(chuàng)新能力平臺”（項目編號 2011ZX04016-021)資助項目，
本文以球桿儀這一高效、便捷的 測量儀器建立立式加工中心精度 評價及優(yōu)化流程，并在某立式加 工中心上進行應(yīng)用驗證。
球桿儀誤差測量原理
1. 球桿儀結(jié)構(gòu)
由雷尼紹（Renishaw)公司 生產(chǎn)的QC20球桿儀是一種快速檢 測機床性能的精密儀器，具體構(gòu) 造如圖1所示。
球桿儀傳感器是球桿儀系統(tǒng)
的主要部件。它是一個精密線性 傳感器，能精確測出在球桿標(biāo)稱 100mm、長度±1mm行程內(nèi)的 伸縮量。此傳感器可提供電子信 號，這些信號經(jīng)處理后與計算機 無線通信。這允許Ballbar 20軟件 對傳感器名義長度上的微小變化 進行測量和分析。
2. 球桿儀測試原理
用球桿儀進行誤差測量，設(shè) 坐標(biāo)系的原點〇(0,0)為車床 主軸軸桿上球座的中心，p（x，z)為刀架臂球心的名義坐標(biāo)， 當(dāng)機床運動到目標(biāo)位置P (X， z)時，設(shè)機床的實際位置為， (X‘，z‘），則機床的空間誤 差可用這兩個坐標(biāo)表示如下： Ax=x，一X， Az=z' —z (1) 式中，Ax、Az為P的位移誤差。 當(dāng)存在誤差Ax、Az時，有下式 成立：
(R + A R) 2 = x'2+z'2 = ( x+ Ax) 2 + (z+Az) 2 (2)
這里R為OP的理想距離，忽 略二階以上的高次誤差項，考慮 R2=x2+z2，由式（2)可得
AR= (xAx+zAz)/R (3) 由z=Rcos沒、x=Rsin沒可得 AR= Azcosd + Axsind (4) 式（4)表示點P處的定位和 球桿儀半徑誤差的關(guān)系。該式是 球桿儀測量裝置的基本方程式， 反映了測量結(jié)果與誤差矢量之間 的關(guān)系。測量所有的A R，做出 圓度誤差曲線，可以綜合地反映 出機床部件相互幾何關(guān)系等因 素。
基于球桿儀的數(shù)控機床 精度測試流程
球桿儀的基本測量數(shù)據(jù)如 下。
(1) 單方向最大圓度偏差 (圓偏差）：各平面的順時針 (CW)及逆時針（CCW)方向
的運動誤差軌跡圓度。在GB/T 17421.4第4部分中解釋為包容在 實際軌跡上的兩個同心圓（最小 區(qū)域圓）的最小半徑差。
(2) 圓度（圓滯后）：各平 面的順時針及逆時針方向的綜合 誤差軌跡圓度。在GB/T 17421.4
第4部分中解釋為兩實際軌跡的最 大半徑差，其中一個軌跡是順時 針輪廓運動，另一個是逆時針輪 廓運動。
(3) 徑向偏差（半徑偏 差）：實際軌跡與名義軌跡間的
偏差。
(4) 單向重復(fù)性：在較短時 間間隔內(nèi)在待測平面內(nèi)以順時針 方向測量兩次，根據(jù)兩運動誤差 軌跡之間的最大偏差確定單向重
復(fù)性。
(5) 雙向重復(fù)性：根據(jù)各測 試平面的順時針方向與逆時針方 向軌跡之間的最大偏差確定雙向 重復(fù)性。
2. 軟件診斷量
利用球桿儀測試軟件可自 動得出診斷值，包括反向間隙、 反向躍沖、橫向間隙、伺服不匹 配、垂直度及直線度等，并且可 以計算出各誤差所占比重。
3. 測試影響因素分析 影響圓度測量結(jié)果的主要因
素包括圓半徑、軸進給速度以及 進給軸伺服參數(shù)。另外，在機床 不同位置的圓度也可能不同。
(1) 測量半徑選擇：球桿儀 通過小圓組件以及加長桿的搭配 組合，測量半徑為50?600mm。 當(dāng)用小半徑測量時，由于相同的 進給速度線速度相對大，因此對 機床伺服特性的考察效果比較 好；當(dāng)用大半徑測量時，由于測 試范圍較大，可以更好地評價機 床的幾何精度，但如果測量半徑 很大，球桿在自重的作用下會發(fā) 生彎曲，測量精度降低。
(2) 進給速度選擇：為了兼 顧高速和低速，便于對比，通常
選擇500mm/min、1000mm/min、
1500mm/min、 2000mm/min、
3000mm/min—種或幾種不同速 度下進行圓測試。
(3) 伺服參數(shù)的調(diào)整：當(dāng) 圓度測試結(jié)果出現(xiàn)較大的換向跳 動、爬行以及橢圓等現(xiàn)象時，應(yīng) 根據(jù)測試所得的數(shù)據(jù)，對相關(guān)伺 服軸的速度環(huán)增益、動態(tài)匹配參 數(shù)等進行調(diào)整，以獲得更好的圓 度數(shù)據(jù)，必要時需反復(fù)調(diào)整和測 試多次。
4. 測試流程
針對數(shù)控機床進行球桿儀圓 弧插補測試的總體測試流程如圖 2所示。
(1) 預(yù)熱機床：使機床以 測試速度運行半個小時，讓機床 進行充分的潤滑與熱機。
(2) 確定測試半徑：按照 測試需求及機床行程選擇測量半 徑。
(3) 程序預(yù)運行：按照選定的半徑、速度進行程序預(yù)運 行，確保測試程序沒有問題。
(1) 球桿儀連接：連接球桿 儀，包括電源、傳感器和球座， 將球桿儀連接到機床，準(zhǔn)備進行 試驗。
(2) 執(zhí)行測試：在測試程序 通過預(yù)運行后，開始執(zhí)行測試。
(3) 數(shù)據(jù)診斷：對測量結(jié) 果進行診斷，明確各軸的位置誤 差、角度誤差、直線度、垂直度 以及比例誤差、周期誤差等誤差 項的排序。
(4) 參數(shù)優(yōu)化：在數(shù)據(jù)診斷 的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。
(5) 結(jié)果驗證：在優(yōu)化后 再次執(zhí)行測試，如測試結(jié)果不理 想，再次執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化步驟以獲 得更好的優(yōu)化效果。
應(yīng)用實例
1. 測試過程
以某存在聯(lián)動精度故障的立 式加工中心為例，對測試及優(yōu)化 過程進行說明，分別在工作臺不 同的5個位置對平面 內(nèi)圓軌跡運動精度進行測量，進 給速度選擇為1 500mm/min，通 過測量結(jié)果可以形成對該加工中 心空間場的精度評價。
在測試點1的時候先對優(yōu)化前 的精度數(shù)值進行測試，而后各點 測量值都為優(yōu)化后的精度值。測 試點的布置及測試過程如圖3、圖 4所示。
2. 測試結(jié)論
5個測試點的測試結(jié)果如圖5 和表1所示。
1. 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
由球桿儀診斷表可以得到反 向間隙和伺服不匹配為該機床圓 度測試的主要誤差。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu) 化方法如下：
(1) 根據(jù)三個平面的圓度誤 差測試曲線，調(diào)整各伺服軸反向 間隙補償參數(shù)。
(2) 根據(jù)三個平面的圓度 誤差測試曲線，找出動態(tài)響應(yīng)最 慢的伺服軸，之后設(shè)置兩個伺服 軸的動態(tài)匹配時間參數(shù)，使這兩 個伺服軸的動態(tài)響應(yīng)均與動態(tài)響 應(yīng)最慢的伺服軸相匹配，從而實 現(xiàn)三個伺服軸動態(tài)響應(yīng)均匹配， 這樣可以同時對三個平面的圓測 試曲線中伺服不匹配現(xiàn)象進行改 善。
2. 優(yōu)化后的測試數(shù)據(jù)
位置點1在優(yōu)化前后球度及 各平面圓度（圓滯后）如圖6和 表2所示?？梢钥闯鰞?yōu)化前整體 球度為90.1^m，經(jīng)過伺服參數(shù)優(yōu) 化調(diào)整為49.6 pm，面圓度由 90.0 pm降低為49.6 pm，ZX面圓 度由70.2 pm降低為45.5 pm。
針對5個測試點優(yōu)化后各點的
|
表2位置點1球度及各面圓度平均
|
球度、平面圓度如圖7所示。從測 試結(jié)果總體來看，整體球度最不 好的點為2號點，即工作臺的左上 角位置；4號位置其次；最好的點 為3號點和1號點。因此在加工空 間中，3號點和1號點附近為加工 適宜區(qū)域，在實際加工中應(yīng)優(yōu)先 選擇。
對優(yōu)化后的圓度偏差圖形結(jié) 果和球桿儀診斷表進行分析，通 過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補償參 數(shù)的設(shè)置，補償了機床中存在的 反向間隙；通過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)位 置環(huán)增益的設(shè)置，改善了各軸伺 服不匹配的情況，使該機床的圓 弧插補精度有所提升。
結(jié)語
利用球桿儀對數(shù)控機床的幾 何誤差進行檢測是一種效率高、 操作簡單而且測量結(jié)果具有較高 可信度的實用方法，同時還可以 通過故障診斷數(shù)據(jù)對數(shù)控系統(tǒng)進 行優(yōu)化，可顯著提高數(shù)控機床的 圓弧插補精度。
球桿儀測試系統(tǒng)可以用于數(shù) 控機床開發(fā)使用的各階段，包括 設(shè)計開發(fā)階段樣機結(jié)構(gòu)缺陷的早 期發(fā)現(xiàn)與排除、機床出售階段的 最終調(diào)試與精度檢驗，以及定期 檢查階段的精度維護。
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