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1 前言
“數(shù)控機(jī)床位置精度檢驗(yàn)與補(bǔ)償”課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，通過真實(shí)的理實(shí)一體化教學(xué)方法，依托任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)項(xiàng)目，訓(xùn)練學(xué)生掌握應(yīng)用激光干涉儀、回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置等檢測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)控機(jī)床直線軸、旋轉(zhuǎn)軸的位置精度，并規(guī)范操作數(shù)控機(jī)床完成誤差數(shù)據(jù)的采集、補(bǔ)償參數(shù)的輸入，最終實(shí)現(xiàn)好的補(bǔ)償效果。但是由于激光干涉儀操作難度大、與數(shù)控機(jī)床緊密配合、操作技術(shù)環(huán)節(jié)復(fù)雜，因此很難保證補(bǔ)償?shù)某晒蛯?shí)訓(xùn)的效果。
2 加工中心 A 軸位置精度的檢測(cè)與補(bǔ)償
加工中心是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的 XHA714 數(shù)控機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)是華中世紀(jì)星 22M。數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與 X 軸平行安裝，稱為 A 軸，用作加工中心的第四軸。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整個(gè)傳動(dòng)鏈由電機(jī)、一對(duì)嚙合齒輪、單級(jí)蝸桿副及工作臺(tái)組成，當(dāng)電機(jī)接到由控制單元發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)使工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分度。加工中心 A 軸的進(jìn)給位置精度依賴回轉(zhuǎn)工作臺(tái)內(nèi)各個(gè)傳動(dòng)部件的制造精度、裝配精度和轉(zhuǎn)臺(tái)與機(jī)床的安裝精度。
但是只依靠以上兩個(gè)方面還不夠。采用先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備——激光干涉儀以及回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置對(duì)加工中心A 軸進(jìn)行位置精度檢測(cè)與補(bǔ)償，是進(jìn)一步大幅度提高加工中心旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給位置精度的有效手段。
數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的有機(jī)結(jié)合，數(shù)控機(jī)床位置精度的補(bǔ)償原理正是應(yīng)用這一點(diǎn)。采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ赐ㄟ^測(cè)量出各目標(biāo)位置的平均位置偏差，將偏差值疊加到插補(bǔ)指令上，從而使誤差得到抵消。
XR20-W 無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置與激光系統(tǒng)和角度干涉鏡配合使用，可以完成旋轉(zhuǎn)軸位置精度的檢測(cè)與補(bǔ)償，測(cè)量原理見圖 1：從激光頭射出的光束穿過角度干涉鏡，分成兩束平行光束，反射鏡將兩束光反射回干涉鏡后匯合為一束光，回激光頭回光孔；測(cè)量時(shí)運(yùn)行機(jī)床使被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置也隨之旋轉(zhuǎn)，測(cè)量軟件按照測(cè)量間隔角度反向旋轉(zhuǎn)反射鏡，使激光光路保持準(zhǔn)直；激光頭通過分析匯合光的明暗變化，計(jì)算出被測(cè)軸的角度位置誤差。
圖１角度位置精度測(cè)量原理
2 激光光路的準(zhǔn)直
1）準(zhǔn)備工作。測(cè)量所用的光學(xué)鏡及相關(guān)輔助元件有激光頭、XR20-W 無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置（帶角度反射鏡）、角度干涉鏡、固定環(huán)、定心輔助裝置、其他輔助裝置等。首先確認(rèn)機(jī)床調(diào)平，之后拆下 A 軸上的三抓卡盤，安裝固定環(huán)，利用定心裝置將固定環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸同心，將 XR20-W 無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置安裝在固定環(huán)上，加工中心工作臺(tái)上安裝角度干涉鏡，目測(cè)安裝在角度反射鏡的正前方，鏡組在機(jī)床上的布局見圖 2。根據(jù)角度反射鏡準(zhǔn)直輔助面上靶點(diǎn)的高度安裝三腳架，見圖 3。三腳架必須放置在堅(jiān)硬的地面上，不能安裝在木質(zhì)的踏板上。三腳架調(diào)平并安裝激光頭，打開筆記本電腦，運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸測(cè)量軟件，XR20-W 無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置與電腦藍(lán)牙連接。
2）角度干涉鏡的準(zhǔn)直。將光靶安裝在角度干涉鏡上，靶點(diǎn)在上。調(diào)整激光頭位置，使激光光束射中靶點(diǎn)（即角度干涉鏡上三分之一處），之后拆下光靶，激光光束將通過角度干涉鏡后變成兩束激光平行向前射出。
3）角度反射鏡的準(zhǔn)直。使用角度反射鏡的準(zhǔn)直輔助面準(zhǔn)直激光，將準(zhǔn)直輔助面面對(duì)干涉鏡，通過微調(diào)角度干涉鏡和激光頭的位置，使兩束平行光入射準(zhǔn)直輔助面的上靶點(diǎn)，見圖 4。之后將角度反射鏡的測(cè)量面調(diào)至面對(duì)干涉鏡，激光頭光閘調(diào)至輔助調(diào)光位置，此時(shí)激光回光打到激光頭的回光孔光靶上；再將激光頭光閘調(diào)至測(cè)量位置，激光頭上五盞指示燈全亮，光路準(zhǔn)直完成。
加工中心Ａ軸位置精度檢測(cè)
1）在測(cè)量軟件上進(jìn)行測(cè)量設(shè)置，在加工中心上編寫測(cè)量程序。光路準(zhǔn)直成功后，確定測(cè)量開始點(diǎn)為 0 度位置，360 度是最后一個(gè)測(cè)量位置。要求加工中心 A 軸沿正方向運(yùn)行，測(cè)量間隔 30 度，運(yùn)行到每個(gè)間隔將暫停六秒，以便激光系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。在行程的起始和終點(diǎn)要有 10 度越程移動(dòng)，消除運(yùn)動(dòng)間隙。根據(jù)以上要求，在測(cè)量軟件上點(diǎn)擊“新測(cè)試” 按鈕進(jìn)行測(cè)量設(shè)定；在加工中心上編寫測(cè)量程序。
2）測(cè)量開始。測(cè)量軟件上點(diǎn)擊“位置跟蹤”按鈕設(shè)置測(cè)試跟蹤，之后點(diǎn)擊測(cè)量開始；在操作加工中心 A 軸運(yùn)行剛剛編寫的測(cè)量程序。A 軸運(yùn)轉(zhuǎn)至各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，采集各個(gè)點(diǎn)的誤差數(shù)值，誤差值就是當(dāng)前激光讀數(shù)與當(dāng)前目標(biāo)位置之間的差值，并五遍采集數(shù)據(jù)。這時(shí)如果出現(xiàn)只采集兩三個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)光路就沒有了的情況，首先考慮是回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置的安裝與 A 軸不同心所造成的。解決辦法是重新安裝回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置并重新進(jìn)行光路的準(zhǔn)直操作。
3）數(shù)據(jù)分析。點(diǎn)擊“分析數(shù)據(jù)”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，誤差數(shù)據(jù)曲線及精度數(shù)據(jù)見圖 5。

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3 確保補(bǔ)償成功的操作要點(diǎn)
1）根據(jù)機(jī)床的現(xiàn)狀，合理進(jìn)行光學(xué)鏡組的布局。先安裝無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置，安裝要求是確保與加工中心 A 軸同心；再安裝角度干涉鏡，目測(cè)安裝在角度反射鏡的正前方，與角度反射鏡同高度。
2）三腳架必須放置在堅(jiān)硬的地面上，不能安裝在木質(zhì)的踏板上，并靠近鏡組擺放，三腳架應(yīng)調(diào)平。在目測(cè)情況下盡量將激光頭放正，即垂直于加工中心的 X 軸。云臺(tái)上的位置控制旋鈕預(yù)先調(diào)至中間位置，這樣可以方便光路的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)工作。
3）光路準(zhǔn)直前，必須進(jìn)行兩個(gè)“回參”動(dòng)作，即操作時(shí)加工中心 A 軸先回參，再操作測(cè)量軟件使回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置回參。
4）測(cè)量時(shí)，被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸正方向運(yùn)行從 0 ～ 360 度，0 度參考點(diǎn)必須是被測(cè)量及補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)。
5）開始測(cè)量操作，注意先操作測(cè)量軟件，讓回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置先測(cè)量開始，等待自校準(zhǔn)穩(wěn)定之后，再操作加工中心 A 軸運(yùn)行測(cè)量程序，使 A 軸運(yùn)轉(zhuǎn)至各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。
6）合理選擇“均值補(bǔ)償”和“各自補(bǔ)償”方案，選擇依據(jù)是從誤差圖形上判斷。本例反向間隙較為均勻，可以選擇均值補(bǔ)償；否則各自補(bǔ)償效果會(huì)更好。
7）補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)軸補(bǔ)償參數(shù)后，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)要求操作機(jī)床（重啟或復(fù)位）。再一次做位置精度檢測(cè)時(shí)，增量型編碼器的機(jī)床或采用有擋塊回參考點(diǎn)的數(shù)控機(jī)床一定要執(zhí)行返回參考點(diǎn)操作，這樣補(bǔ)償參數(shù)才能生效，確保機(jī)床的軸補(bǔ)償效果。

加工中心 A 軸位置精度檢測(cè)與補(bǔ)償

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