数控机床旋转轴定位精度检测方法研究

数控机床旋转轴定位精度检测方法研究

随着现代制造业的发展，五轴数控机床广泛应用于汽车、医疗、航空航天等先进装备制造领域。鉴此,本文提出一种低成本、能够快速进行旋转轴定位精度检测的新方法,即使用激光测刀功能和检测棒来完成粗略的旋转轴定位精度检测。1法向退刀技术旋转轴主要依靠蜗轮蜗杆、圆形齿条、弧形齿条等机械结构组装而成,通常旋转轴采用全闭环的方式保证定位精度,全闭环中的第二检测系统包含磁性光栅、圆光栅、末端编码器等,保证旋转轴的定位精度在允许范围内。数控机床在日常使用后,由于机械磨损、第二检测系统污染、安装位置变形、机床热变形等,均会造成旋转轴定位精度出现偏差,国内外发明了诸多仪器进行该定位精度检测。法向退刀是数控机床在进行旋转坐标加工时所使用的一种退刀方法。如图1所示,当机床在加工某斜向孔时,目前的退刀方式,采用单纯移动直线坐标系来进行退刀,那么刀具在移动的过程中会与工件孔位产生干涉,导致孔壁受到损伤。西门子数控系统针对该情况,在现有的基础上重新建立框架结构(TOFRAME功能),利用第四坐标系和第五坐标系进行旋转,使得刀具在退刀过程中能直接沿着孔的法向方向进行退刀,避免刀具与工件的碰撞所引发的加工事故。因此,本文利用西门子数控系统法向退刀时五坐标联动的特性,结合激光测刀仪原理,对数控机床旋转轴定位精度进行检测。2旋转轴定位精度的计算激光测刀仪是一种数控机床常用的刀具测量装置,由该装置发出的激光在被外界物品隔断达到85%以上会产生触发信号发送给数控系统,可以对刀具的刀长、直径及刀具的破损情况进行测量并获得相应测量点位的坐标信息。因此,本文利用激光测刀仪的测刀原理,基于BLUM公司生产的激光测刀仪设计了一种低成本快速检测旋转轴定位精度方法对主轴进行相应测量,进而得到其旋转轴定位精度。目前BLUM激光测刀仪可以在5m/min的测量速度下实现1μm的重复性精度,满足本方法的测量需求。具体测量步骤及原理如下:如图2所示,在机床主轴上安装好检测棒作为检测对象,将主轴沿A轴或C轴旋转一定角度ue788,选定检棒上的特定点(位置1)作为激光测刀仪的初始测量点。操作激光测刀仪的测刀功能在垂直于检测棒方向对该点发射激光,在激光光束被检测棒截断时,测刀仪会发送信号给数控系统,数控系统接受信号后会编制相应程序记录当前测量点的坐标值(y然后利用西门子数控系统的法向退刀功能使主轴沿法向方向进行退刀,退刀距离设为L(为保证测量精度,一般情况下退刀距离须>100mm),此时主轴将沿法向方向进行坐标联动,再次利用激光测刀仪测量并记录当前测量点(位置2)的坐标值(y将两次测量得到的坐标值作为计算定位误差的数据,后续根据相应误差计算方法计算出实际定位角度值,并与理论定位角度进行对比,就可以获得相应误差值,最终得到机床旋转轴的定位精度。需要注意的是,通常在进行误差检测时,须关闭RTCP(绕刀具中心点旋转)功能,以保证其系统补偿处于关闭状态,避免对检测结果的影响。同时,在采用全闭环控制系统的旋转轴定位中,角度定位偏差一般小于0.1°,所以在设置激光测刀距离时,设定检测距离通常在5mm内。此外,编辑测刀路径时,若采用垂直于检具的方向进行测刀,实际机床运行时主轴的角度值与理论角度值会有所差异,但由于偏差较小可以忽略不计,所以常常使用理论主轴位置的垂直方向作为参考。不使用激光测刀,可以在机床固定端安装千分表,表头垂直于检棒方向,观察检棒在沿法向运动时千分表的检测值变化,取千分表的变化值作为角度误差的坐标偏移值,同样可以获得旋转轴定位精度。3计算定位精度误差的方法3.1机床旋转轴定位角度随约线的变化当实际旋转轴定位值与机床理论值不同时,分为两种情况,如图3所示,实线部分为主轴的理论位置值,虚线部分表示主轴实际到达的位置值。如果以两次测量点的连线与z轴形成的夹角作为定位角,当实际值大于理论值时,机床旋转轴定位角度属于正向偏差,如图3a;实际值小于到理论值时,机床旋转轴定位角度属于负向偏差,如图3b。3.2旋转轴实际定位误差计算根据前述的检测原理,对旋转轴的定位误差进行计算。设在检测棒上初始检测点的坐标值为(y按图4所示的几何关系,可求得旋转轴实际位置的定位角θ当前旋转轴的理论定位角为数控系统显示值θ△θ大于0,定位误差为负偏差,△θ小于0,定位误差为正偏差。在实际应用当中,此方法可根据实际旋转轴的坐标范围设定检测步距,通过提取BLUM的信号对坐标进行记录,放入数控系统R变量中,并通过数控系统自动计算,高效地完成机床旋转轴定位精度的测量。4旋转轴定位精度测量试验根据前述的检测思路,本论文实验验证选用昆明机床厂生产的KMC160A型号机床作为待测机床,机床A轴为检测的旋转轴,激光测刀仪的型号为BLUM公司的laserControlNT,测量温度为20.2℃,同时利用API公司的SWIVELCHECK角摆检查仪进行旋转轴定位精度检测。为减小误差,每个测量点取5次的测量结果的平均值作为最终数据,在相同条件下,两项测量方法的测量结果误差趋势方向基本一致;两项检测结果最大差值△θ5定位精度的