數(shù)控機(jī)床三維空間誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2014-03-08 11:03:12點(diǎn)擊率：

　　數(shù)控機(jī)床三維空間誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用newmaker長(zhǎng)久以來，空間精度補(bǔ)償技術(shù)一直應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，以保證三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為計(jì)量器具而對(duì)其較高的精度要求,而其機(jī)械制造與電器調(diào)試的精度難以滿足相關(guān)要求。一般三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都經(jīng)過補(bǔ)償，使其能滿足完成高精度測(cè)量的需要。隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)床精度的要求也越來越高。現(xiàn)有機(jī)床精度單從機(jī)械設(shè)計(jì)和硬件制造上來考慮，成為制約行業(yè)發(fā)展的一個(gè)普遍作為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)行業(yè)中引領(lǐng)測(cè)量技術(shù)先鋒的英國(guó)(Renishaw)公司，在將其三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)控制器中“空間誤差補(bǔ)償技術(shù)”成功應(yīng)用十多年后，針對(duì)Fanuc、Siemens等數(shù)控系統(tǒng)，新近推出“空間誤差補(bǔ)償技術(shù)”。以雷尼紹成熟的XL-80激光干涉儀(如圖1所示)和QC-20球桿儀作為測(cè)試基礎(chǔ)，向市場(chǎng)推出RVC-Fanuc和RVC-Siemens兩套空間誤差修正軟件，以配合具備三維空間補(bǔ)償選項(xiàng)的采用Fanuc或Siemens數(shù)控系統(tǒng)的加工中心、數(shù)控鏜銑和龍門機(jī)床來提高其空間精度。從目前用戶實(shí)際使用的反饋表明，RVC軟件在相關(guān)數(shù)控機(jī)床上使用靈活、簡(jiǎn)便，效果明顯。遇到的瓶頸。將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的空間精度補(bǔ)償技術(shù)引入到數(shù)控機(jī)床上，可成功地解決數(shù)控機(jī)床精度再提高的關(guān)鍵問題。

　　補(bǔ)償原理1數(shù)控機(jī)床幾何精度常見的21項(xiàng)誤差在機(jī)床的三軸移動(dòng)空間中，共有9個(gè)平移誤差參數(shù)，9個(gè)角度誤差參數(shù)和3個(gè)垂直度誤差參數(shù)，總計(jì)21項(xiàng)誤差。要將21項(xiàng)誤差對(duì)機(jī)器空間位置的影響完全消除，需要將各項(xiàng)誤差精確地檢測(cè)出來，并研究開發(fā)有關(guān)軟件，將檢測(cè)得到的誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具備相應(yīng)功能的數(shù)控系統(tǒng)所能接受的參數(shù)，提供給系統(tǒng)補(bǔ)償結(jié)果，從而提高機(jī)床空間精度。在實(shí)際情況中，一臺(tái)機(jī)床的誤差原因會(huì)是多種誤差的疊加作用的結(jié)果，單一誤差測(cè)量顯然無(wú)法完全提高機(jī)床的幾何精度，特別是在整臺(tái)機(jī)器的工作區(qū)域內(nèi)各方向的精度。2數(shù)控系統(tǒng)的新增功能使用空間精度補(bǔ)償方法對(duì)數(shù)控機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正,如前所述，前期已經(jīng)在三維測(cè)量機(jī)行業(yè)被證實(shí)為是減小機(jī)床定位誤差的有效方法之一。目前，國(guó)際上許多知名數(shù)控系統(tǒng)廠家，如Siemens和Fanuc等，均在其數(shù)控系統(tǒng)中支持這種空間精度補(bǔ)償?shù)姆椒?三維誤差補(bǔ)償或VCS)，使用這種方法可以通過生成機(jī)床整個(gè)工作空間的誤差參數(shù)來全面補(bǔ)償機(jī)床工作時(shí)在幾何精度上的偏差，從而對(duì)機(jī)床現(xiàn)有的空間定位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正。3國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)向幾年前，當(dāng)具備空間精度補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)Siemens840Dsl(稱VCS)和Fanuc31i(稱三維誤差補(bǔ)償)推向市場(chǎng)后，國(guó)外生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的廠家就開始研究相關(guān)空間精度的測(cè)量和誤差補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算方法，并有少量的研究成果公開發(fā)表。從現(xiàn)有發(fā)表的資料看，有采用激光跟蹤測(cè)量法，在機(jī)床不同部位作為站點(diǎn)測(cè)量機(jī)床各空間定位點(diǎn)誤差，并用一定數(shù)學(xué)模型分離誤差源;也有采用激光干涉儀配合球桿儀等其他測(cè)量工具，按21項(xiàng)誤差逐項(xiàng)檢測(cè)的方法。采用激光干涉儀測(cè)試各項(xiàng)誤差源則是目前國(guó)內(nèi)外普遍通行的辦法，其各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均具備精度可溯源性，可以逐項(xiàng)測(cè)量并校核機(jī)床精度是否測(cè)量正確、穩(wěn)定可靠，并能方便地隨時(shí)校核空間補(bǔ)償效果。市場(chǎng)上為普遍應(yīng)用的英國(guó)產(chǎn)XL-80激光干涉儀還具有開放的軟件接口，方便用戶自行研究開發(fā)自己的軟件。應(yīng)用舉例如圖2所示。

　　針對(duì)Fanuc31i和Siemens840D開展空間誤差補(bǔ)償所需軟、硬件設(shè)備1檢測(cè)設(shè)備XL-80激光干涉儀：分別測(cè)量線性位移、直線度、俯仰角、扭擺角等，為RVC軟件提供所需計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)所需誤差數(shù)據(jù)文件。QC20-W球桿儀：測(cè)量各軸間的垂直度;并提供機(jī)床電器誤差與機(jī)械誤差方向性診斷。RX10轉(zhuǎn)臺(tái)(可選)：測(cè)量并提供回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角精度的測(cè)量與補(bǔ)償。電子水平儀等：測(cè)量機(jī)床滾擺等參數(shù)。2空間誤差修正軟件Fanuc三維空間補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的修正軟件是RVC-Fanuc，Siemens對(duì)應(yīng)的修正軟件是RVC-Siemens。RVC軟件具備如下三大功能，每一功能能夠?yàn)楸粶y(cè)機(jī)床完成不同項(xiàng)目的補(bǔ)償：普通線性誤差補(bǔ)償、三維空間誤差補(bǔ)償(線性位移、直線度、角度)和三軸間垂直度誤差補(bǔ)償。3數(shù)控系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的空間補(bǔ)償功能選擇附件Fanuc3pensation功能和SiemensVCS功能。其中840Dsl1.3或更新版本，需要加載正確的ELF文件;雷尼紹開發(fā)的RVC-Siemens適用于“VCSp”、“VCSA3”和“VCSA5”。進(jìn)行補(bǔ)償功能要采取如下幾個(gè)步驟：·在機(jī)器工作空間范圍中采集測(cè)量數(shù)據(jù),評(píng)估偏差參數(shù)并將它們保存為數(shù)據(jù)文件;·將文件拷入數(shù)控系統(tǒng)子目錄“Manufact.Cycles”(CMA)中;·采用GUD-變量激活補(bǔ)償;·系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償結(jié)果并根據(jù)三根幾何軸線的實(shí)際MCS位置將其寫入位置偏置。4在空間補(bǔ)償前對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)狀況的要求在進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償前用球桿儀對(duì)機(jī)床綜合精度狀況進(jìn)行評(píng)估，若機(jī)床存在較大的反向躍沖、伺服不匹配等電器誤差，則即使進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償，也對(duì)該機(jī)床加工精度改善不大。在進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償前將機(jī)床電器誤差調(diào)整為次要精度問題尤為必要(對(duì)機(jī)床綜合精度狀況評(píng)估參見QC20-W球桿儀使用說明)。重復(fù)精度不好的機(jī)床即使進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償效果也不明顯。對(duì)于精度要求高達(dá)5μm左右的數(shù)控機(jī)床，建議對(duì)其使用環(huán)境應(yīng)該按三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的使用環(huán)境來要求，否則從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看機(jī)床自身因環(huán)境變化而帶來的精度變化將會(huì)在某種程度上削弱空間誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?。RVC空間誤差修正軟件的應(yīng)用案例1RVC-Fanuc軟件應(yīng)用英國(guó)某公司在日常生產(chǎn)中使用的配裝Fanuc31i的FanucRobodrill機(jī)床上，用雷尼紹RVC空間誤差修正軟件對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了三維空間誤差補(bǔ)償，并按ISO230-4“數(shù)控機(jī)床圓檢驗(yàn)”標(biāo)準(zhǔn)采用球桿儀對(duì)該機(jī)床補(bǔ)償前和補(bǔ)償生效后的XY平面內(nèi)的圓度進(jìn)行驗(yàn)證比較，其圓度誤差由9.1μm減小到5.7μm。在北京某機(jī)床研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的Fanuc31i數(shù)控坐標(biāo)鏜床上，用QL20-W球桿儀對(duì)該機(jī)床進(jìn)行綜合精度測(cè)試，在3D空間誤差補(bǔ)償前，XY平面的垂直度XWY為24.9μm/m，綜合圓度為11.5μm。加上3D空間誤差補(bǔ)償參數(shù)和垂直度補(bǔ)償參數(shù)并使補(bǔ)償生效后,垂直度誤差XWY為2μm/m;綜合圓度誤差為5.2μm～6.6μm(含多次測(cè)量的重復(fù)性誤差)。為方便說明該機(jī)床空間誤差補(bǔ)償?shù)募?xì)節(jié)，現(xiàn)以Y軸為例，將該機(jī)床的精度測(cè)試和補(bǔ)償后的效果作一詳細(xì)介紹如下：該機(jī)床Y軸運(yùn)動(dòng)在X方向的扭擺誤差YRX大達(dá)到12〃;Y軸在Z方向的俯仰誤差YRZ大達(dá)到9〃;在X-500Z-791.235位置(即主軸端部)對(duì)Y軸定位精度YTY進(jìn)行測(cè)量,誤差大約為14μm。在離主軸450mm位置,對(duì)Y軸定位精度進(jìn)行測(cè)量,誤差YTY大約為12μm,但顯然由于機(jī)床Y軸在X方向角度誤差的影響，同樣是Y軸定位精度，在離主軸端面不同位置測(cè)量，其精度曲線差異很大。對(duì)Y軸Z方向的直線度YTZ進(jìn)行三維空間補(bǔ)償后，馬上驗(yàn)證補(bǔ)償效果，如圖3所示，藍(lán)色為補(bǔ)償前趨勢(shì)曲線(誤差帶寬為約7μm)，綠色曲線為補(bǔ)償后曲線(誤差帶寬為約&pmn;1μm)，補(bǔ)償效果明顯。

　　2RVC-Siemens軟件應(yīng)用在意大利Breton公司配裝Siemens840D的Flymill1000龍門機(jī)床上,采用XL-80激光干涉儀和球桿儀對(duì)各項(xiàng)幾何精度進(jìn)行測(cè)量并完成VCS空間誤差補(bǔ)償。有關(guān)補(bǔ)償前后結(jié)果對(duì)比如圖4所示：排在前三位為明顯的改進(jìn)有X軸定位精度誤差XTX由68μm減小到2μm;Z軸在Y方向的直線度誤差ZTY從18μm減小到3.7μm;X軸在Z方向的直線度誤差XTZ從15μm減小到1.1μm。對(duì)于上述測(cè)量和VCS補(bǔ)償，采用空間多處測(cè)量線性定位精度的辦法來驗(yàn)證空間精度整體提高的結(jié)論。例如在沒有做空間補(bǔ)償前，某空間上高、中、低3處的位置誤差分別為5.8μm、3.9μm、8.0μm;而在用XL-80激光干涉儀和球桿儀進(jìn)行VCS空間誤差后，在該高、中、低三處的位置誤差分別為2.7μm、1.9μm、2.1μm?？梢娍臻g各處的整體位置精度在VCS生效后都有所提高，并趨于一致，其ISO230-4球桿儀測(cè)試圓度相應(yīng)也提高了25%。在位于德國(guó)Erlangen的Siemens技術(shù)中心內(nèi),對(duì)一臺(tái)配裝Siemens840D的Huron機(jī)床進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明RVCSiemens軟件與Siemens系統(tǒng)的VCS功能在機(jī)床上完全有效。垂直度補(bǔ)償效果特別明顯，XY垂直度XWY由-9.8〃提高到-0.1〃;同時(shí)線性和角度補(bǔ)償結(jié)果也不錯(cuò)。參與測(cè)試的有關(guān)人員評(píng)論道，采用雷尼紹球桿儀和XL-80激光干涉儀比其他同類產(chǎn)品使用要快許多，因?yàn)閺膬x器安裝使用上看雷尼紹的產(chǎn)品更為方便。按ISO230-2對(duì)Y軸進(jìn)行線性定位精度的補(bǔ)償前后的對(duì)比，藍(lán)色曲線為補(bǔ)償后誤差(如圖5所示)。按ISO230-4進(jìn)行球桿儀測(cè)試的圓度精度提高近40%(見圖6)。

　　結(jié)論鑒于數(shù)控機(jī)床三軸幾何精度補(bǔ)償技術(shù)與五軸機(jī)床中回轉(zhuǎn)軸補(bǔ)償技術(shù)的不同(回轉(zhuǎn)軸補(bǔ)償需要數(shù)控系統(tǒng)另外的選項(xiàng)和另外的測(cè)試方法)，根據(jù)多數(shù)用戶的需求，目前RVC軟件主要針對(duì)的是三軸機(jī)床的空間誤差補(bǔ)償。目前用戶在測(cè)試應(yīng)用中產(chǎn)生的若干看法：(1)根據(jù)多個(gè)客戶的測(cè)試反饋來看，采用XL-80激光干涉儀和QC20-W球桿儀進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償測(cè)試，由于可以方便地分別對(duì)機(jī)床各項(xiàng)誤差進(jìn)行測(cè)試并快速驗(yàn)證補(bǔ)償效果，還可以有選擇地只挑選部分關(guān)鍵誤差項(xiàng)來補(bǔ)償，因而在保證準(zhǔn)確性的前提下，也可采用有選擇地補(bǔ)償?shù)姆椒▉砉?jié)約時(shí)間。(2)用ML10/XL80激光干涉儀逐項(xiàng)測(cè)試線性位移、直線度、角度誤差，容易對(duì)誤差溯源，方便判斷誤差方向。(3)采用QC20-W無(wú)線球桿儀，在一次安裝的情況下，對(duì)機(jī)床XY、YZ和ZX三個(gè)平面進(jìn)行測(cè)試，可快速對(duì)垂直度進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。(4)測(cè)試結(jié)果證明，用雷尼紹公司的RVC軟件對(duì)Fanuc31i和Siemens840Dsl的機(jī)床進(jìn)行三維誤差補(bǔ)償，通過按ISO230-2標(biāo)準(zhǔn)采用激光干涉儀或/和按ISO230-4標(biāo)準(zhǔn)采用球桿儀儀驗(yàn)證，補(bǔ)償前后效果明顯。

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