數控機床三維空間誤差補償技術的應用

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 數控機床三維空間誤差補償技術的應用newmaker長久以來,空間精度補償技術一直應用于三坐標測量機上,以保證三坐標測量機作為計量器具而對其較高的精度要求, 而其機械制造與電器調試的精度難以滿足相關要求。一般三坐標測量機都經過補償,使其能滿足完成高精度測量的需要。隨著數控機床技術的不斷發展,對機床精度的要求也越來越高,F有機床精度單從機械設計和硬件制造上來考慮,成為制約行業發展的一個普遍作為三坐標測量機行業中引領測量技術先鋒的英國(Renishaw)公司,在將其三坐標測量機UCC 控制器中“空間誤差補償技術”成功應用十多年后,針對Fanuc、Siemens 等數控系統,新近推出“空間誤差補償技術”。以雷尼紹成熟的XL-80 激光干涉儀(如圖1 所示)和QC-20 球桿儀作為測試基礎,向市場推出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償選項的采用Fanuc 或 Siemens 數控系統的加工中心、數控鏜銑和龍門機床來提高其空間精度。從目前用戶實際使用的反饋表明,RVC 軟件在相關數控機床上使用靈活、簡便,效果明顯。遇到的瓶頸。將三坐標測量機的空間精度補償技術引入到數控機床上,可成功地解決數控機床精度再提高的關鍵問題。

補償原理 1 數控機床幾何精度常見的21 項誤差 在機床的三軸移動空間中,共有9 個平移誤差參數,9 個角度誤差參數和3 個垂直度誤差參數,總計21項誤差。要將21 項誤差對機器空間位置的影響完全消除,需要將各項誤差精確地檢測出來,并研究開發有關軟件,將檢測得到的誤差數據轉換為具備相應功能的數控系統所能接受的參數,提供給系統補償結果,從而提高機床空間精度。 在實際情況中,一臺機床的誤差原因會是多種誤差的疊加作用的結果,單一誤差測量顯然無法完全提高機床的幾何精度, 特別是在整臺機器的工作區域內各方向的精度。 2 數控系統的新增功能 使用空間精度補償方法對數控機床工作時產生的誤差進行修正,如前所述,前期已經在三維測量機行業被證實為是減小機床定位誤差的有效方法之一。目前,國際上許多知名數控系統廠家,如Siemens和 Fanuc 等,均在其高端數控系統中支持這種空間精度補償的方法(三維誤差補償或VCS),使用這種方法可以通過生成機床整個工作空間的誤差參數來全面補償機床工作時在幾何精度上的偏差,從而對機床現有的空間定位誤差進行實時糾正。 3 國內外發展動向 幾年前,當具備空間精度補償功能的高端數控系統Siemens 840Dsl(稱VCS)和Fanuc 31i(稱三維誤差補償)推向市場后,國外生產高端數控機床的廠家就開始研究相關空間精度的測量和誤差補償參數計算方法,并有少量的研究成果公開發表。從現有發表的資料看,有采用激光跟蹤測量法,在機床不同部位作為站點測量機床各空間定位點誤差,并用一定數學模型分離誤差源;也有采用激光干涉儀配合球桿儀等其他測量工具,按21 項誤差逐項檢測的方法。 采用激光干涉儀測試各項誤差源則是目前國內外普遍通行的辦法,其各項測試結果均具備精度可溯源性,可以逐項測量并校核機床精度是否測量正確、穩定可靠,并能方便地隨時校核空間補償效果。市場上最為普遍應用的英國產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自己的軟件。應用舉例如圖2 所示。

針對Fanuc 31i 和Siemens 840D 開展空間誤差補償所需軟、硬件設備 1 檢測設備 XL-80 激光干涉儀:分別測量線性位移、直線度、俯仰角、扭擺角等,為RVC 軟件提供所需計算補償參數所需誤差數據文件。 QC20-W 球桿儀:測量各軸間的垂直度;并提供機床電器誤差與機械誤差方向性診斷。 RX10 轉臺 ( 可選):測量并提供回轉工作臺的轉角精度的測量與補償。電子水平儀等:測量機床滾擺等參數。 2 空間誤差修正軟件 Fanuc 三維空間補償對應的修正軟件是RVC-Fanuc,Siemens 對應的修正軟件是RVC-Siemens。 RVC 軟件具備如下三大功能,每一功能能夠為被測機床完成不同項目的補償:普通線性誤差補償、三維空間誤差補償(線性位移、直線度、角度)和三軸間垂直度誤差補償。 3 數控系統及對應的空間補償功能選擇附件 Fanuc 3D Compensation 功能和Siemens VCS 功能。 其中840D sl1.3 或更新版本,需要加載正確的ELF 文件;雷尼紹開發的RVC-Siemens 適用于“VCSplus”、“ VCS A3” 和“VCS A5”。 進行補償功能要采取如下幾個步驟: ·在機器工作空間范圍中采集測量數據, 評估偏差參數并將它們保存為數據文件; · 將文件拷入數控系統子目錄“Manufact.Cycles”(\CMA) 中; ·采用GUD- 變量激活補償; ·系統實時計算補償結果并根據三根幾何軸線的實際MCS 位置將其寫入位置偏置。 4 在空間補償前對機床基礎狀況的要求 在進行空間誤差補償前最好用球桿儀對機床綜合精度狀況進行評估,若機床存在較大的反向躍沖、伺服不匹配等電器誤差,則即使進行空間誤差補償,也對該機床加工精度改善不大。在進行空間誤差補償前將機床電器誤差調整為次要精度問題尤為必要(對機床綜合精度狀況評估參見QC20-W 球桿儀使用說明)。重復精度不好的機床即使進行空間誤差補償,補償效果也不明顯。 對于精度要求高達5μm 左右的數控機床,建議對其使用環境應該按三坐標測量機的使用環境來要求,否則從長遠來看機床自身因環境變化而帶來的精度變化將會在某種程度上削弱空間誤差補償的效果。 RVC 空間誤差修正軟件的應用案例 1 RVC-Fanuc 軟件應用 英國某公司在日常生產中使用的配裝Fanuc 31i 的Fanuc Robodrill機床上,用雷尼紹 RVC 空間誤差修正軟件對該機床進行了三維空間誤差補償,并按ISO230-4“數控機床圓檢驗”標準采用球桿儀對該機床補償前和補償生效后的XY 平面內的圓度進行驗證比較,其圓度誤差由9.1μm 減小到5.7μm。 在北京某機床研究機構最新生產的Fanuc 31i 數控坐標鏜床上,用QL20-W 球桿儀對該機床進行綜合精度測試,在3D 空間誤差補償前,XY 平面的垂直度XWY 為24.9μm/m,綜合圓度為11.5μm。 加上3D 空間誤差補償參數和垂直度補償參數并使補償生效后, 垂直度誤差XWY 為2μm/m; 綜合圓度誤差為5.2μm ~ 6.6μm ( 含多次測量的重復性誤差)。 為方便說明該機床空間誤差補償的細節,現以Y 軸為例,將該機床的精度測試和補償后的效果作一詳細介紹如下: 該機床Y 軸運動在X 方向的扭擺誤差YRX 最大達到12〃;Y 軸在Z方向的俯仰誤差YRZ 最大達到9〃;在X-500 Z-791.235 位置( 即主軸端部) 對Y 軸定位精度YTY 進行測量,誤差大約為14μm。 在離主軸450mm 位置, 對Y 軸定位精度進行測量, 誤差YTY 大約為12μm, 但顯然由于機床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量,其精度曲線差異很大。 對Y 軸Z 方向的直線度YTZ 進行三維空間補償后,馬上驗證補償效果,如圖3 所示,藍色為補償前趨勢曲線(誤差帶寬為約7μm),綠色曲線為補償后曲線(誤差帶寬為約±1μm),補償效果明顯。

2 RVC-Siemens 軟件應用 在意大利Breton 公司配裝Siemens 840D 的Flymill 1000 龍門機床上, 采用XL-80 激光干涉儀和球桿儀對各項幾何精度進行測量并完成VCS 空間誤差補償。有關補償前后結果對比如圖4 所示:排在前三位最為明顯的改進有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。 對于上述測量和VCS 補償,采用空間多處測量線性定位精度的辦法來驗證空間精度整體提高的結論。例如在沒有做空間補償前,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 球桿儀測試圓度相應也提高了25%。 在位于德國Erlangen 的Siemens 技術中心內, 對一臺配裝Siemens 840D 的Huron機床進行了測試。測試表明RVCSiemens軟件與Siemens系統的VCS 功能在機床上完全有效。垂直度補償效果特別明顯,XY 垂直度XWY 由-9.8〃提高到-0.1〃;同時線性和角度補償結果也不錯。 參與測試的有關人員評論道,采用雷尼紹 球桿儀和 XL-80 激光干涉儀比其他同類產品使用要快許多,因為從儀器安裝使用上看雷尼紹的產品更為方便。 按ISO230-2 對Y 軸進行線性定位精度的補償前后的對比,藍色曲線為補償后誤差(如圖5 所示)。按ISO230-4 進行球桿儀測試的圓度精度提高近40%(見圖6)。


結論 鑒于數控機床三軸幾何精度補償技術與五軸機床中回轉軸補償技術的不同(回轉軸補償需要數控系統另外的選項和另外的測試方法),根據多數用戶的需求,目前RVC 軟件主要針對的是三軸機床的空間誤差補償。目前用戶在測試應用中產生的若干看法: (1)根據多個客戶的測試反饋來看,采用XL-80 激光干涉儀和QC20-W 球桿儀進行空間誤差補償測試,由于可以方便地分別對機床各項誤差進行測試并快速驗證補償效果,還可以有選擇地只挑選部分關鍵誤差項來補償,因而在保證準確性的前提下,也可采用有選擇地補償的方法來節約時間。 (2)用ML10/XL80 激光干涉儀逐項測試線性位移、直線度、角度誤差,容易對誤差溯源,方便判斷誤差方向。(3)采用QC20-W 無線球桿儀,在一次安裝的情況下,對機床XY 、YZ 和ZX 三個平面進行測試,可快速對垂直度進行測量和補償。 (4)測試結果證明,用雷尼紹公司的RVC 軟件對Fanuc 31i 和Siemens 840D sl 的機床進行三維誤差補償,通過按ISO230-2 標準采用激光干涉儀或/ 和按ISO230-4 標準采用球桿儀儀驗證,補償前后效果明顯。

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