用激光檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)定和修正CNC機(jī)床
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在排除了由刀具磨損、工件編程差錯(cuò)、夾具變化和原材料等問(wèn)題的可能性后，余下的就是要確定CNC機(jī)床是否是引起問(wèn)題的根源。首先要明確的是，刀具是否按照工件的編程命令移動(dòng)到正確位置。例如裝在一臺(tái)三軸加工中心上的刀具被編程到一系列的X、Y、Z的坐標(biāo)位置。因?yàn)闄C(jī)床是三軸的，所以每一個(gè)軸都必須被檢測(cè)。
當(dāng)對(duì)單個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行評(píng)定時(shí)，核心的問(wèn)題是工作的復(fù)雜性。每一個(gè)坐標(biāo)軸都可能有六項(xiàng)誤差：線位移的位置誤差、在垂直于軸的兩個(gè)正交方向上的直線度誤差以及俯仰、偏轉(zhuǎn)和滾動(dòng)三個(gè)角度誤差。此外，還需要另外的裝置去檢測(cè)機(jī)床三個(gè)坐標(biāo)軸之間的相互垂直度。因此，對(duì)于一臺(tái)具有三個(gè)坐標(biāo)軸的機(jī)床就具有21項(xiàng)可能的誤差源。
機(jī)床測(cè)量
長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)機(jī)床的測(cè)量都使用步距規(guī)、直尺、方鐵和指示表。使用這些工具進(jìn)行檢測(cè)，則要求有技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員，即使這樣，也難免產(chǎn)生大的計(jì)算誤差。由于每測(cè)量一項(xiàng)誤差需要一個(gè)單獨(dú)的測(cè)量裝置，要完成21項(xiàng)誤差測(cè)量，時(shí)間就成了最大的障礙。由于生產(chǎn)和時(shí)間的制約，往往限制了被檢測(cè)的誤差項(xiàng)目數(shù)，生產(chǎn)車(chē)間常常只試圖確定和修正主要誤差源而不對(duì)機(jī)床進(jìn)行全面檢測(cè)。例如常用的診斷工具可伸縮球桿尺，它對(duì)于確定動(dòng)態(tài)誤差和提供相對(duì)的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)信息十分有效，還能測(cè)量回程間隙、爬行、標(biāo)尺失配和伺服滯后誤差，但它不能提供除了坐標(biāo)軸正交性以外的機(jī)床其它幾何要素的可靠測(cè)量。
使用激光干涉儀來(lái)考核機(jī)床可消除使用其它方法測(cè)量機(jī)床坐標(biāo)軸時(shí)所出現(xiàn)的各種問(wèn)題。激光干涉儀被看作是精密長(zhǎng)度測(cè)量和確立線位移精度的標(biāo)準(zhǔn)。使用一些專用的光學(xué)組件，能測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交方向的直線度和三個(gè)角度誤差中的兩個(gè)誤差：俯仰誤差和偏轉(zhuǎn)誤差。
為滿足機(jī)床運(yùn)動(dòng)精密測(cè)量的需要，開(kāi)發(fā)出了各種激光測(cè)量系統(tǒng)。雖然可應(yīng)用許多不同的測(cè)量系統(tǒng)，但大多數(shù)依賴于三種測(cè)量方案之一，以達(dá)到相同的測(cè)量結(jié)果。一種方案是測(cè)量工作空間的對(duì)角線，其精度取決于被考核機(jī)床的重復(fù)性，但這種方法不能提供各軸的單獨(dú)誤差，而這些誤差有助于確定也許需進(jìn)行的適當(dāng)?shù)臋C(jī)械修正(如垂直度的修正)。另外兩個(gè)方案主要著重于機(jī)床坐標(biāo)軸的直接測(cè)量。在用一些系統(tǒng)測(cè)量一個(gè)坐標(biāo)軸的同時(shí)由其它系統(tǒng)測(cè)量另外的坐標(biāo)軸。后一個(gè)例子是API(Automated Precision Inc)的6維激光測(cè)量系統(tǒng)。它能同時(shí)測(cè)量一個(gè)坐標(biāo)軸的5項(xiàng)或6項(xiàng)誤差，這可減少80%的測(cè)量時(shí)間。此外，在測(cè)量這些誤差的同時(shí)還提供其相互間的關(guān)系。
在用API系統(tǒng)測(cè)試以后，經(jīng)分析結(jié)果表明，也許一個(gè)坐標(biāo)軸比其它兩個(gè)軸的精度低得多。通常，利用這個(gè)信息足以確定哪個(gè)坐標(biāo)軸需要進(jìn)行修正。如果單個(gè)坐標(biāo)軸的各項(xiàng)誤差都小于要加工的工件誤差，但操作者還是應(yīng)該確定機(jī)床是否能加工合格的工件，因?yàn)檎`差會(huì)按幾何合成而增大(以三維角度合成)，所以就必須要了解一個(gè)軸的誤差如何在另外兩個(gè)軸上產(chǎn)生影響。比較典型的是在CNC機(jī)床上Y軸重疊于X軸上的情況發(fā)生。如果X軸在Y軸的方向上有直線度誤差，測(cè)該誤差就疊加(相加或相減)到Y(jié)軸的線位移誤差上，而在測(cè)量過(guò)程中，不可能發(fā)現(xiàn)這些誤差，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)在某一時(shí)刻只移動(dòng)一個(gè)軸。再有，要分析評(píng)定21項(xiàng)誤差的每一個(gè)可能的疊加影響是非常復(fù)雜的。
誤差模態(tài)分析軟件使得這種分析工作變得非常容易。軟件能提供一個(gè)空間誤差圖形，提示出在機(jī)床有效工作空間的每一處所測(cè)量到的21個(gè)單項(xiàng)誤差的綜合作用結(jié)果。軟件可方便地確定機(jī)床是否有能力加工某一公差范圍內(nèi)的工件。
修正步驟
一旦確定CNC數(shù)控機(jī)床是工件公差變化的原因，則必須修正機(jī)床誤差。為了確定最有效的修正方法，必須評(píng)定機(jī)床的重復(fù)性。重復(fù)性是機(jī)床穩(wěn)定性的度量，機(jī)床刀具根據(jù)其穩(wěn)定性移動(dòng)到某一命令位置。例如刀具接收到一個(gè)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，則該機(jī)床是一臺(tái)高度穩(wěn)定的機(jī)床，但不是一臺(tái)精密的機(jī)床。當(dāng)一臺(tái)機(jī)床重復(fù)某一個(gè)誤差，或帶有一點(diǎn)點(diǎn)變化，則可方便地用調(diào)整命令的位置來(lái)修正誤差。
在這個(gè)例子中，操作者可命令刀具到X=5.050，此時(shí)刀具會(huì)非常接近地在X軸上到達(dá)期望的位置。對(duì)某一臺(tái)機(jī)床而言，僅依靠調(diào)節(jié)命令位置來(lái)改變程序，并不是最好的一種校正方法。因此，目前許多的控制器允許調(diào)節(jié)編碼器的位置軟件來(lái)修正這些誤差，這就是通常所說(shuō)的“節(jié)距補(bǔ)償”，因?yàn)橐苿?dòng)坐標(biāo)軸的常用方法是用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。位置由編碼器中光學(xué)圓盤(pán)上的計(jì)數(shù)脈沖來(lái)確定，編碼器每轉(zhuǎn)一圈能發(fā)出大量脈沖，編碼器轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，機(jī)床移動(dòng)一個(gè)螺距。
如果一個(gè)誤差重復(fù)，則可通過(guò)控制器來(lái)修正；如果一個(gè)誤差不重復(fù)或變化超過(guò)了期望的公差值，則必須對(duì)機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)或電氣部分進(jìn)行修理。
大多數(shù)的機(jī)床控制器能給操作者提供調(diào)整線位移位置的能力，以修正行程誤差——即節(jié)距誤差。此外，許多新的控制器能提供在兩個(gè)正交方向的直線度修正和坐標(biāo)正交性的修正，有些控制器更具有修正所有21項(xiàng)誤差的能力。
誤差修正常常是基于三維網(wǎng)格方式，它們是機(jī)床有效空間的一組點(diǎn)位。對(duì)網(wǎng)格中的每一個(gè)特定的X、Y和Z的點(diǎn)，給出一個(gè)修正值。對(duì)每一個(gè)點(diǎn)，將21個(gè)單項(xiàng)誤差綜合成一個(gè)修正值就需要建立誤差模型和進(jìn)行計(jì)算，它們常常超出了機(jī)床操作技術(shù)人員的能力。現(xiàn)在可提供3維誤差模型和修正軟件以及這些網(wǎng)格。
如果一個(gè)控制器不能補(bǔ)償機(jī)床的所有誤差并且單獨(dú)的線位移補(bǔ)償不能提供期望的結(jié)果，其修正仍然可以實(shí)現(xiàn)，只要變換由標(biāo)尺(編碼器)系統(tǒng)提供給控制器的信息即可。這需要使用第二個(gè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，第二個(gè)控制器將會(huì)變換提供給基于誤差模型分析軟件的機(jī)床原來(lái)控制器的機(jī)床標(biāo)尺信息，不管怎樣所得到的結(jié)果是相同的。
用激光系統(tǒng)來(lái)評(píng)定CNC機(jī)床可以作快速和綜合的分析，這些工作若用其它方法來(lái)做，將很耗費(fèi)時(shí)間且又不經(jīng)濟(jì)。用誤差模型軟件分析數(shù)據(jù)降低了處理過(guò)程的復(fù)雜性，并可不斷生產(chǎn)出合格工件。
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