数控机床运动误差的测试装置_双球规测量仪
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检测技术
数控机床运动误差的测试装置——双球规测量仪
□马锡琪
(西北工业大学,西安710072)
摘 要:本文介绍了作者设计的双球规测量仪的结构与工作原理。
使用这种装置不仅可以测量出数控机床的运动误差,而且可以通过误差矢量的计算,找出造成误差的主要原因,计算出误差的大小和方位,并通过软件给予补偿,使数控机床加工精度得到提高。
关键词:数控机床 动态精度 误差补偿 双球规测量仪
1 概述
计算机数控(CNC)机床在一些发达国家已得到了广泛应用,并正向直接数控(DNC),柔性制造系统(FM S)及计算机集成制造系统(CIM S)发展。
我国机械制造业中CN C机床的应用也很普及。
随着对加工精度要求的提高,需要研制出更高精度的加工机床,所以也促进了机床精度评价技术的进展,如何分析机床加工误差产生的原因,分析误差产生的规律,测定加工误差的数值,开发高精度的操作简单的测试装置和测量方法具有非常重要的意义。
目前对数控机床的精度检测仍属于静态精度的测量范畴,1990年国际标准化机构(ISO)在对数据机床(CN C)和加工中心(M C)的检测中增加了机床运动精度的测试项目。
随着国民经济的发展,我国国家标准向国际靠拢也势在必行。
本文在参考国外已有研究的基础上,研制出了可用于对数控机床和加工中心运动误差的测量装置——双球规测量仪,提出了一种新的测试方法,开发了一套相应的测试软件,应用这一装置可以分析和诊断出机床运动误差产生的原因、误差的大小和方位,为有效地进行补偿提供了理论基础。
2 测试原理
对于数控机床来说,假设某一时刻,刀具前端的空间指令位置为P(X、Y、Z),实际位置为P′(X′、Y′、Z′),理想情况下,P=P′,但是由于机床存在运动误差,此时P≠P′,那么点P处所含误差为:
C X=X′-X
C Y=Y′-Y
C Z=Z′-Z
C-=(C X、C Y、C Z)(1)检测数控机床的运动精度,就是希望测得C-=(C X、C Y、C Z)的值。
假设机床运动过程的某一时刻,刀具前端P(X、Y、Z)相对工作台坐标原点O(0、0、0)的距离为R,则
R2=X2+Y2+Z2(2)由于机床运动存在误差,点P的实际位置P′(X′、Y′、Z′),相对工作台坐标原点的距离为P′,则有:
R′2=X′2+Y′2+Z′2(3)设△R=R′-R,则△R为因机床运动误差而造成的刀具前端与工作台坐标原点之间距离的变化量。
将式(1)和△R=R′-R代入式(3)可得:
(R+△R)2
=(X+C X)2+(Y+C Y)2+(Z+C Z)2(4)两边分别展开并略去△R2,C2X,C2Y和C2Z,得:
R2+2R△R
=X 2+Y 2+Z 2
+2(X C X +YC Y +ZC Z )
(5)将式(2)代入式(5)得:△R =1R
(XC X +YC Y +ZC Z )(6)
从上式(6)可以看出,机床运动存在误差时,刀具前端与工作台坐标原点之间的距离是变化的,只要能够测得刀具前端相对工作台坐标原点的距离变化量△R,并且作出相应误差曲线,就能够找出机床部件相互几何关系对机床运动精度的影响,并建立起相应误差的数学模型,为机床的调整与补偿提供可靠的依据。
3 双球规及其测试系统
3.1 双球规结构
根据上述测试原理,我们设计了如图1(原理图)所示的双球规,测试时两球应分别安装在主轴锥孔中和工作台上。
由于测试时要求以两球球心为中心灵活转动,因此采用磁力连接球和球坐。
两球之间是可伸缩的拉杆,光栅尺体安装在伸缩杆的外壳上,读数头与伸缩杆相连。
这样当机床绕一个球的球心作圆周运动时,通过光栅的读数,就可知两球心之间距离的变化。
图1 双球规结构
1.底座
2.伸缩杆
3.顶座
4.钢球
5.光栅尺
一般来讲,数控编程都采用相对坐标进行,
所以不必找出工作台坐标原点,令数控机床作圆周运动,由圆度误差来评价机床的运动精度。
3.2 双球规设计精度
双球规主要零部件的精度如下。
1)两钢球的球形轮廓误差不大于0.02m m ,球与球坐配研,着色应大于85%
2)保证装配后球与球坐在任意方向的回转误差小于0.03m m
3)球与拉杆的同轴度误差小于0.01mm ,以保证装配后在任意位置两球的不同轴度不大于0.02mm
4)双球规测试装置光栅尺型号是T23-813-5,位移分辩率为1μm 与光栅配套使用的GS 型数显仪,采用TT L 电路,功耗低、抗干扰强、操作灵活可靠。
3.3 测试系统的组成
本文所研究的双球规测试系统包括双球规、微机,输入输出设备和测试软件等,如图2所示。
数控程序打印机绘图机
接口个人微型机
(2)MNC -280控制机
XK5040
数控机床基本软件
接口(1)
双球规测量装置
图2 测试系统结构框图
3.4 测试软件的设计
图3 误差测量方法
1.XZ 和YZ 平面,
2.机床主轴,
3.双球规
4.底座,
5.XY 平面
系统的基本软件采用模块式结构,利用程
序覆盖技术实现模块之间的相互调用。
4 误差测试与分析
误差分析是以最能反映实际加工过程的运动轨迹为基础,从中找出运动误差的变化规律,如图3所示,为研究方便和确保误差测量的准确性,在XZ平面和YZ平面中取上半圆轨迹,在YY平面中取圆轨迹。
在数控机床(或加工中心)的主轴和工作台之间装好双球规后,在相互垂直的三个平面内分别作圆弧插补运动,将反映运动误差的△R送入计算机,通过矢量分析和数据处理,从其运动误差轨迹中提取出轨迹模式,计算出误差的大小和方向后进行软件补偿。
5 结束语
通过XK5040运动精度的测试实验,证明测试方法简便,系统构成合理。
通过计算机仿真,我们已对数控机床上常见的各种运动误差进行了研究和分析,得到了这些误差的矢量表达式和特征模型。
这样就为进一步的实机试验,完善测试方法和充实测试内容打下了良好基础。
参考文献
〔1〕朝北奈奎一.工作机械的高速化,高精度化的最新重力方向.日本《自动化技术》1991,23(3)
〔2〕恒野义和.DBB精度检测法在数控机床和工业机器人中的应用.日本《机械与工具》1991
〔3〕周梦慰.计算机数控机床的误差测量和综合补偿研究.
西北工业大学硕士论文,1993
(收稿时间:1996—04—
01)
内孔键槽偏转度的快速测
量原理及其专用检测装置
□朱正德
(上海大众汽车有限公司,上海201805)
摘 要:齿轮、齿形同步带内孔键槽相对基准齿的偏转角
的测量问题是一个难题,本文提出了一种间接测量的原理,把
偏转角转换成位移,再通过比较测量法求出偏转度。
这种专用
检具目前已成功地用于实际生产中。
关键词:键槽偏角 间接测量 专用检具
1 键槽偏转度的快速测量原理
内孔键槽偏转度是以角度公差的形式给出
的,以图1为例。
键槽中心线K-K与基准齿中
心线O-A之间的偏转角φ需控制在±10′以
内。
对偏角φ的快速检测采用间接测量原理,即
把角度φ转换成直径上某一点P的切向位移,
通过求取位移e的大小,间接地测出φ值。
图2
是上述工作原理的示意。
从中可看到,工件借
内孔固定在心轴3上,心轴左上侧有弹性键插
入工件内孔键槽中,由此确定了工件的键槽中
心线。
左方的1和2组成一直线导轨,滑体2能
在固定导轨1中往复运动,其中心线恰好通过
图1。
