用激光检测系统评定和修正CNC机床

作者：工具展望 刘文仲 译

欢迎访问e展厅 展厅 6 激光测量仪器展厅 激光干涉仪, 激光扫描仪, 激光测径仪, 激光测距仪, ... 当制造的工件超出允许的公差，或者虽然没有超出公差，但已接近公差的最大值时，此时就应在检查工件的加工过程中去发现问题的根源。 在排除了由刀具磨损、工件编程差错、夹具变化和原材料等问题的可能性后，余下的就是要确定CNC机床是否是引起问题的根源。首先要明确的是，刀具是否按照工件的编程命令移动到正确位置。例如装在一台三轴加工中心上的刀具被编程到一系列的X、Y、Z的坐标位置。因为机床是三轴的，所以每一个轴都必须被检测。 当对单个坐标轴进行评定时，核心的问题是工作的复杂性。每一个坐标轴都可能有六项误差：线位移的位置误差、在垂直于轴的两个正交方向上的直线度误差以及俯仰、偏转和滚动三个角度误差。此外，还需要另外的装置去检测机床三个坐标轴之间的相互垂直度。因此，对于一台具有三个坐标轴的机床就具有21项可能的误差源。 机床测量 长期以来，对机床的测量都使用步距规、直尺、方铁和指示表。使用这些工具进行检测，则要求有技术、经验丰富的检测人员，即使这样，也难免产生大的计算误差。由于每测量一项误差需要一个单独的测量装置，要完成21项误差测量，时间就成了最大的障碍。由于生产和时间的制约，往往限制了被检测的误差项目数，生产车间常常只试图确定和修正主要误差源而不对机床进行全面检测。例如常用的诊断工具可伸缩球杆尺，它对于确定动态误差和提供相对的坐标轴运动信息十分有效，还能测量回程间隙、爬行、标尺失配和伺服滞后误差，但它不能提供除了坐标轴正交性以外的机床其它几何要素的可靠测量。 使用激光干涉仪来考核机床可消除使用其它方法测量机床坐标轴时所出现的各种问题。激光干涉仪被看作是精密长度测量和确立线位移精度的标准。使用一些专用的光学组件，能测量两个正交方向的直线度和三个角度误差中的两个误差：俯仰误差和偏转误差。 为满足机床运动精密测量的需要，开发出了各种激光测量系统。虽然可应用许多不同的测量系统，但大多数依赖于三种测量方案之一，以达到相同的测量结果。一种方案是测量工作空间的对角线，其精度取决于被考核机床的重复性，但这种方法不能提供各轴的单独误差，而这些误差有助于确定也许需进行的适当的机械修正(如垂直度的修正)。另外两个方案主要着重于机床坐标轴的直接测量。在用一些系统测量一个坐标轴的同时由其它系统测量另外的坐标轴。后一个例子是API(Automated Precision Inc)的6维激光测量系统。它能同时测量一个坐标轴的5项或6项误差，这可减少80%的测量时间。此外，在测量这些误差的同时还提供其相互间的关系。 在用API系统测试以后，经分析结果表明，也许一个坐标轴比其它两个轴的精度低得多。通常，利用这个信息足以确定哪个坐标轴需要进行修正。如果单个坐标轴的各项误差都小于要加工的工件误差，但操作者还是应该确定机床是否能加工合格的工件，因为误差会按几何合成而增大(以三维角度合成)，所以就必须要了解一个轴的误差如何在另外两个轴上产生影响。比较典型的是在CNC机床上Y轴重叠于X轴上的情况发生。如果X轴在Y轴的方向上有直线度误差，测该误差就叠加(相加或相减)到Y轴的线位移误差上，而在测量过程中，不可能发现这些误差，因为测量时在某一时刻只移动一个轴。再有，要分析评定21项误差的每一个可能的叠加影响是非常复杂的。 误差模态分析软件使得这种分析工作变得非常容易。软件能提供一个空间误差图形，提示出在机床有效工作空间的每一处所测量到的21个单项误差的综合作用结果。软件可方便地确定机床是否有能力加工某一公差范围内的工件。 修正步骤 一旦确定CNC数控机床是工件公差变化的原因，则必须修正机床误差。为了确定最有效的修正方法，必须评定机床的重复性。重复性是机床稳定性的度量，机床刀具根据其稳定性移动到某一命令位置。例如刀具接收到一个命令要移到X=5，Y=5和Z=0，但是它四次每次都移到X=4.950，Y=4.950和Z=0，则该机床是一台高度稳定的机床，但不是一台精密的机床。当一台机床重复某一个误差，或带有一点点变化，则可方便地用调整命令的位置来修正误差。 在这个例子中，操作者可命令刀具到X=5.050，此时刀具会非常接近地在X轴上到达期望的位置。对某一台机床而言，仅依靠调节命令位置来改变程序，并不是最好的一种校正方法。因此，目前许多的控制器允许调节编码器的位置软件来修正这些误差，这就是通常所说的“节距补偿”，因为移动坐标轴的常用方法是用马达驱动丝杠螺母传动副。位置由编码器中光学圆盘上的计数脉冲来确定，编码器每转一圈能发出大量脉冲，编码器转一转，机床移动一个螺距。 如果一个误差重复，则可通过控制器来修正；如果一个误差不重复或变化超过了期望的公差值，则必须对机床的机械系统或电气部分进行修理。 大多数的机床控制器能给操作者提供调整线位移位置的能力，以修正行程误差——即节距误差。此外，许多新的控制器能提供在两个正交方向的直线度修正和坐标正交性的修正，有些控制器更具有修正所有21项误差的能力。 误差修正常常是基于三维网格方式，它们是机床有效空间的一组点位。对网格中的每一个特定的X、Y和Z的点，给出一个修正值。对每一个点，将21个单项误差综合成一个修正值就需要建立误差模型和进行计算，它们常常超出了机床操作技术人员的能力。现在可提供3维误差模型和修正软件以及这些网格。 如果一个控制器不能补偿机床的所有误差并且单独的线位移补偿不能提供期望的结果，其修正仍然可以实现，只要变换由标尺(编码器)系统提供给控制器的信息即可。这需要使用第二个控制器来实现，第二个控制器将会变换提供给基于误差模型分析软件的机床原来控制器的机床标尺信息，不管怎样所得到的结果是相同的。 用激光系统来评定CNC机床可以作快速和综合的分析，这些工作若用其它方法来做，将很耗费时间且又不经济。用误差模型软件分析数据降低了处理过程的复杂性，并可不断生产出合格工件。 (end)

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