數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測(cè)方法研究

數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測(cè)方法研究

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，五軸數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、航空航天等先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域。鑒此,本文提出一種低成本、能夠快速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測(cè)的新方法,即使用激光測(cè)刀功能和檢測(cè)棒來(lái)完成粗略的旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測(cè)。1法向退刀技術(shù)旋轉(zhuǎn)軸主要依靠蝸輪蝸桿、圓形齒條、弧形齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝而成,通常旋轉(zhuǎn)軸采用全閉環(huán)的方式保證定位精度,全閉環(huán)中的第二檢測(cè)系統(tǒng)包含磁性光柵、圓光柵、末端編碼器等,保證旋轉(zhuǎn)軸的定位精度在允許范圍內(nèi)。數(shù)控機(jī)床在日常使用后,由于機(jī)械磨損、第二檢測(cè)系統(tǒng)污染、安裝位置變形、機(jī)床熱變形等,均會(huì)造成旋轉(zhuǎn)軸定位精度出現(xiàn)偏差,國(guó)內(nèi)外發(fā)明了諸多儀器進(jìn)行該定位精度檢測(cè)。法向退刀是數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)加工時(shí)所使用的一種退刀方法。如圖1所示,當(dāng)機(jī)床在加工某斜向孔時(shí),目前的退刀方式,采用單純移動(dòng)直線坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行退刀,那么刀具在移動(dòng)的過(guò)程中會(huì)與工件孔位產(chǎn)生干涉,導(dǎo)致孔壁受到損傷。西門子數(shù)控系統(tǒng)針對(duì)該情況,在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上重新建立框架結(jié)構(gòu)(TOFRAME功能),利用第四坐標(biāo)系和第五坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使得刀具在退刀過(guò)程中能直接沿著孔的法向方向進(jìn)行退刀,避免刀具與工件的碰撞所引發(fā)的加工事故。因此,本文利用西門子數(shù)控系統(tǒng)法向退刀時(shí)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的特性,結(jié)合激光測(cè)刀儀原理,對(duì)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位精度進(jìn)行檢測(cè)。2旋轉(zhuǎn)軸定位精度的計(jì)算激光測(cè)刀儀是一種數(shù)控機(jī)床常用的刀具測(cè)量裝置,由該裝置發(fā)出的激光在被外界物品隔斷達(dá)到85%以上會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng),可以對(duì)刀具的刀長(zhǎng)、直徑及刀具的破損情況進(jìn)行測(cè)量并獲得相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)位的坐標(biāo)信息。因此,本文利用激光測(cè)刀儀的測(cè)刀原理,基于BLUM公司生產(chǎn)的激光測(cè)刀儀設(shè)計(jì)了一種低成本快速檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸定位精度方法對(duì)主軸進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量,進(jìn)而得到其旋轉(zhuǎn)軸定位精度。目前BLUM激光測(cè)刀儀可以在5m/min的測(cè)量速度下實(shí)現(xiàn)1μm的重復(fù)性精度,滿足本方法的測(cè)量需求。具體測(cè)量步驟及原理如下:如圖2所示,在機(jī)床主軸上安裝好檢測(cè)棒作為檢測(cè)對(duì)象,將主軸沿A軸或C軸旋轉(zhuǎn)一定角度ue788,選定檢棒上的特定點(diǎn)(位置1)作為激光測(cè)刀儀的初始測(cè)量點(diǎn)。操作激光測(cè)刀儀的測(cè)刀功能在垂直于檢測(cè)棒方向?qū)υ擖c(diǎn)發(fā)射激光,在激光光束被檢測(cè)棒截?cái)鄷r(shí),測(cè)刀儀會(huì)發(fā)送信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)接受信號(hào)后會(huì)編制相應(yīng)程序記錄當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值(y然后利用西門子數(shù)控系統(tǒng)的法向退刀功能使主軸沿法向方向進(jìn)行退刀,退刀距離設(shè)為L(zhǎng)(為保證測(cè)量精度,一般情況下退刀距離須>100mm),此時(shí)主軸將沿法向方向進(jìn)行坐標(biāo)聯(lián)動(dòng),再次利用激光測(cè)刀儀測(cè)量并記錄當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)(位置2)的坐標(biāo)值(y將兩次測(cè)量得到的坐標(biāo)值作為計(jì)算定位誤差的數(shù)據(jù),后續(xù)根據(jù)相應(yīng)誤差計(jì)算方法計(jì)算出實(shí)際定位角度值,并與理論定位角度進(jìn)行對(duì)比,就可以獲得相應(yīng)誤差值,最終得到機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的定位精度。需要注意的是,通常在進(jìn)行誤差檢測(cè)時(shí),須關(guān)閉RTCP(繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn))功能,以保證其系統(tǒng)補(bǔ)償處于關(guān)閉狀態(tài),避免對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。同時(shí),在采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸定位中,角度定位偏差一般小于0.1°,所以在設(shè)置激光測(cè)刀距離時(shí),設(shè)定檢測(cè)距離通常在5mm內(nèi)。此外,編輯測(cè)刀路徑時(shí),若采用垂直于檢具的方向進(jìn)行測(cè)刀,實(shí)際機(jī)床運(yùn)行時(shí)主軸的角度值與理論角度值會(huì)有所差異,但由于偏差較小可以忽略不計(jì),所以常常使用理論主軸位置的垂直方向作為參考。不使用激光測(cè)刀,可以在機(jī)床固定端安裝千分表,表頭垂直于檢棒方向,觀察檢棒在沿法向運(yùn)動(dòng)時(shí)千分表的檢測(cè)值變化,取千分表的變化值作為角度誤差的坐標(biāo)偏移值,同樣可以獲得旋轉(zhuǎn)軸定位精度。3計(jì)算定位精度誤差的方法3.1機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位角度隨約線的變化當(dāng)實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸定位值與機(jī)床理論值不同時(shí),分為兩種情況,如圖3所示,實(shí)線部分為主軸的理論位置值,虛線部分表示主軸實(shí)際到達(dá)的位置值。如果以兩次測(cè)量點(diǎn)的連線與z軸形成的夾角作為定位角,當(dāng)實(shí)際值大于理論值時(shí),機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位角度屬于正向偏差,如圖3a;實(shí)際值小于到理論值時(shí),機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位角度屬于負(fù)向偏差,如圖3b。3.2旋轉(zhuǎn)軸實(shí)際定位誤差計(jì)算根據(jù)前述的檢測(cè)原理,對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的定位誤差進(jìn)行計(jì)算。設(shè)在檢測(cè)棒上初始檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值為(y按圖4所示的幾何關(guān)系,可求得旋轉(zhuǎn)軸實(shí)際位置的定位角θ當(dāng)前旋轉(zhuǎn)軸的理論定位角為數(shù)控系統(tǒng)顯示值θ△θ大于0,定位誤差為負(fù)偏差,△θ小于0,定位誤差為正偏差。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,此方法可根據(jù)實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)范圍設(shè)定檢測(cè)步距,通過(guò)提取BLUM的信號(hào)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行記錄,放入數(shù)控系統(tǒng)R變量中,并通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算,高效地完成機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位精度的測(cè)量。4旋轉(zhuǎn)軸定位精度測(cè)量試驗(yàn)根據(jù)前述的檢測(cè)思路,本論文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選用昆明機(jī)床廠生產(chǎn)的KMC160A型號(hào)機(jī)床作為待測(cè)機(jī)床,機(jī)床A軸為檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸,激光測(cè)刀儀的型號(hào)為BLUM公司的laserControlNT,測(cè)量溫度為20.2℃,同時(shí)利用API公司的SWIVELCHECK角擺檢查儀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測(cè)。為減小誤差,每個(gè)測(cè)量點(diǎn)取5次的測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終數(shù)據(jù),在相同條件下,兩項(xiàng)測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果誤差趨勢(shì)方向基本一致;兩項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果最大差值△θ5定位精度的