數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測方法研究

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，五軸數(shù)控機床廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、航空航天等先進裝備制造領(lǐng)域。鑒此,本文提出一種低成本、能夠快速進行旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測的新方法,即使用激光測刀功能和檢測棒來完成粗略的旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測。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)控機床在日常使用后,由于機械磨損、第二檢測系統(tǒng)污染、安裝位置變形、機床熱變形等,均會造成旋轉(zhuǎn)軸定位精度出現(xiàn)偏差,國內(nèi)外發(fā)明了諸多儀器進行該定位精度檢測。法向退刀是數(shù)控機床在進行旋轉(zhuǎn)坐標加工時所使用的一種退刀方法。如圖1所示,當機床在加工某斜向孔時,目前的退刀方式,采用單純移動直線坐標系來進行退刀,那么刀具在移動的過程中會與工件孔位產(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),利用第四坐標系和第五坐標系進行旋轉(zhuǎn),使得刀具在退刀過程中能直接沿著孔的法向方向進行退刀,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)法向退刀時五坐標聯(lián)動的特性,結(jié)合激光測刀儀原理,對數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸定位精度進行檢測。2旋轉(zhuǎn)軸定位精度的計算激光測刀儀是一種數(shù)控機床常用的刀具測量裝置,由該裝置發(fā)出的激光在被外界物品隔斷達到85%以上會產(chǎn)生觸發(fā)信號發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng),可以對刀具的刀長、直徑及刀具的破損情況進行測量并獲得相應(yīng)測量點位的坐標信息。因此,本文利用激光測刀儀的測刀原理,基于BLUM公司生產(chǎn)的激光測刀儀設(shè)計了一種低成本快速檢測旋轉(zhuǎn)軸定位精度方法對主軸進行相應(yīng)測量,進而得到其旋轉(zhuǎn)軸定位精度。目前BLUM激光測刀儀可以在5m/min的測量速度下實現(xiàn)1μm的重復(fù)性精度,滿足本方法的測量需求。具體測量步驟及原理如下:如圖2所示,在機床主軸上安裝好檢測棒作為檢測對象,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(位置1)作為激光測刀儀的初始測量點。操作激光測刀儀的測刀功能在垂直于檢測棒方向?qū)υ擖c發(fā)射激光,在激光光束被檢測棒截斷時,測刀儀會發(fā)送信號給數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)接受信號后會編制相應(yīng)程序記錄當前測量點的坐標值(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行退刀,退刀距離設(shè)為L(為保證測量精度,一般情況下退刀距離須>100mm),此時主軸將沿法向方向進行坐標聯(lián)動,再次利用激光測刀儀測量并記錄當前測量點(位置2)的坐標值(y將兩次測量得到的坐標值作為計算定位誤差的數(shù)據(jù),后續(xù)根據(jù)相應(yīng)誤差計算方法計算出實際定位角度值,并與理論定位角度進行對比,就可以獲得相應(yīng)誤差值,最終得到機床旋轉(zhuǎn)軸的定位精度。需要注意的是,通常在進行誤差檢測時,須關(guān)閉RTCP(繞刀具中心點旋轉(zhuǎn))功能,以保證其系統(tǒng)補償處于關(guān)閉狀態(tài),避免對檢測結(jié)果的影響。同時,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)置激光測刀距離時,設(shè)定檢測距離通常在5mm內(nèi)。此外,編輯測刀路徑時,若采用垂直于檢具的方向進行測刀,實際機床運行時主軸的角度值與理論角度值會有所差異,但由于偏差較小可以忽略不計,所以常常使用理論主軸位置的垂直方向作為參考。不使用激光測刀,可以在機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動時千分表的檢測值變化,取千分表的變化值作為角度誤差的坐標偏移值,同樣可以獲得旋轉(zhuǎn)軸定位精度。3計算定位精度誤差的方法3.1機床旋轉(zhuǎn)軸定位角度隨約線的變化當實際旋轉(zhuǎn)軸定位值與機床理論值不同時,分為兩種情況,如圖3所示,實線部分為主軸的理論位置值,虛線部分表示主軸實際到達的位置值。如果以兩次測量點的連線與z軸形成的夾角作為定位角,當實際值大于理論值時,機床旋轉(zhuǎn)軸定位角度屬于正向偏差,如圖3a;實際值小于到理論值時,機床旋轉(zhuǎn)軸定位角度屬于負向偏差,如圖3b。3.2旋轉(zhuǎn)軸實際定位誤差計算根據(jù)前述的檢測原理,對旋轉(zhuǎn)軸的定位誤差進行計算。設(shè)在檢測棒上初始檢測點的坐標值為(y按圖4所示的幾何關(guān)系,可求得旋轉(zhuǎn)軸實際位置的定位角θ當前旋轉(zhuǎn)軸的理論定位角為數(shù)控系統(tǒng)顯示值θ△θ大于0,定位誤差為負偏差,△θ小于0,定位誤差為正偏差。在實際應(yīng)用當中,此方法可根據(jù)實際旋轉(zhuǎn)軸的坐標范圍設(shè)定檢測步距,通過提取BLUM的信號對坐標進行記錄,放入數(shù)控系統(tǒng)R變量中,并通過數(shù)控系統(tǒng)自動計算,高效地完成機床旋轉(zhuǎn)軸定位精度的測量。4旋轉(zhuǎn)軸定位精度測量試驗根據(jù)前述的檢測思路,本論文實驗驗證選用昆明機床廠生產(chǎn)的KMC160A型號機床作為待測機床,機床A軸為檢測的旋轉(zhuǎn)軸,激光測刀儀的型號為BLUM公司的laserControlNT,測量溫度為20.2℃,同時利用API公司的SWIVELCHECK角擺檢查儀進行旋轉(zhuǎn)軸定位精度檢測。為減小誤差,每個測量點取5次的測量結(jié)果的平均值作為最終數(shù)據(jù),在相同條件下,兩項測量方法的測量結(jié)果誤差趨勢方向基本一致;兩項檢測結(jié)果最大差值△θ5定位精度的