（机械电子工程专业论文）数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代制造业的不断发展，精密和超精密加工技术的重要性日益凸显。数控机床 作为制造业的重要装备，也面临了新时代的机遇和挑战。提高数控机床的精度是提高数 控机床产品质量、增强市场竞争力的关键所在。数控机床的误差问题成为了其发展的关 键。测量技术则是改善与补偿机器误差的重要前提。圆轨迹测量是数控机床测量技术中 重要的一个方法。通过测量机床的圆轨迹获取机床的精度信息，确定机床的误差源，可 以为改进机床设计和机床的误差补偿提供依据。 根据圆轨迹测量原理，本文研制了一种数控机床圆轨迹插补误差检测仪圆测 仪，完成了机械结构设计制造、数据采集系统开发、主机端应用程序编制等一系列工作。 系统地阐述了数控机床误差及其测量方法，对现有的数控机床误差综合测量方法设 备进行归纳总结，并分析各种方法的优缺点。 在分析圆轨迹测量的原理的基础上，设计制造了圆测仪的机械部分结构。采用特定 定位方法把基座安放在机床工作台上，解决了杆身和测量平面不平行的问题，分析了圆 测仪在制造装配和使用过程中产生的误差，设计校准标定环节，补偿圆轨迹径向误差， 保证了测量精度。 基于u s b 通信协议，开发了圆测仪数据采集系统。概述了通用串行总线技术，以 微芯公司最新系列单片机p i c l 8 f 4 5 5 0 为核心，设计了u s b 通信电路板，实现了u s b 通信。 编写了p c 端数据采集应用程序。规划了应用程序框架，基于多媒体定时器技术， 通过显示链接动态链接库文件，实现了误差数据的实时读取与保存，采用w i n d o w sg d i 接口技术，实现了测量轨迹轮廓图的动态显示。 通过实验，验证了圆测仪达到了设计精度，满足测量要求。 关键词：数控机床；插补误差；圆测仪 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 r e s e a r c ho ne r r o rm e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n o fn cm a c h i n et o o l s a b s t r a c t a c c o m p a n yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，t h ep r e c i s ea n d u l t r a p r e c i s em a c h i n i n gt e c h n i q u eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t a st h ew i d e l yu s e d e q u i p m e n t si nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，t h ec n cm a c h i n et o o l sa r ef a c i n gn e w c h a l l e n g e s a n do p p o r t u n i t i e sf o r 舭n e wa g e i m p r o v i n gc n cm a c h i n et o o l sa c c u r a c yi st h e k e yt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fc n cm a c h i n ep r o d u c t sa n ds t r e n g t h e nt h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s si n t h ew o r l dw h i l et h ee r r o ro fc n cm a c h i n et o o l si st h em a i no b s t a c l e t h et e c h n o l o g yo f m e a s u r e m e n ti st h ep r e c o n d i t i o nt or e d u c eo rc o m p e n s a t et h ee r r o ro fc n cm a c h i n e p r o d u c t s c i r c u l a rt e s ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a n sf o rm a c h i n et o o l sm e a s u r i n g a c c u r a c y i n f o r m a t i o no ft h em a c h i n e sc o u l db ea c q u i r e da n dt h ee r r o rs o u r c e so fm a c h i n e sc o u l db e i d e n t i f i e db ym e a s u r i n gt h ec i r c u l a rt r a c k ，w h i c hc a np r o v i d es u p p o r tf o rm a c h i n ed e s i g na n d e r r o rc o m p e n s a t i o n b a s e do nc i r c u l a rt e s tp r i n c i p l e ，a ne r r o rm e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n o fn cm a c h i n et o o 卜c i r c u l a rt e s tn s t r u m e n t ( c t i ) i sd e v e l o p e d as e r i e so fw o r ki s a c c o m p l i s h e di n c l u d i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m d e v e l o p m e n ta n dp ca p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g m a c h i n et o o le r r o r sa n dt h e i rm e a s u r e m e n t sa r ep r e s e n t e di nt h e p a p e r e x i s t i n g i n t e g r a t e dm e a s u r e m e n ta n de q u i p m e n t sf o rn cm a c h i n e sa r es u m m a r i z e da n dt h e i rp r o sa n d c o n sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fc i r c u l a rt e s t ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fc n i sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d as p e c i f i cm e t h o dt oi n s t a l lt h eb a s e m e n to nt h et a b l ei sa d o p t e dt os o l v et h e u n p a r a l l e lp r o b l e mb e t w e e nt h eb a ra n dm e a s u r e m e n tp l a n e t h ee r r o r sg e n e r a t e dd u r i n g m a n u f a c t u r ea n dm e a s u r e m e n t sa r e a n a l y z e d t o e n s u r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，a c a l i b r a t i o np r o c e d u r ei sa d o p t e dt oc o m p e n s a t et h ee r r o r si n t h er a d i u sd i r e c t i o no ft h ec i r c u l a r t r a c k ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rc t ii s d e v e l o p e d ，b a s e do nt h eu s bc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h et e c h n i q u eo fu s b i ss u m m a r i z e d t h ec o m m u n i c a t i o np r i n t e dc i r c u i tb o a r di s d e s i g n e d ，o fw h i c ht h e l a t e s ts e r i e s s i n g l e - c h i pp i c 18 f 4 55 0 o fm i c r o c h i pi st h ek e y c o m p o n e n t 一i i 大连理工大学硕士学位论文 ap cd a t aa c q u i s i t i o na p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e d t h ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r ki sp l a n n e d b a s e do nt h em u l t i m e d i at i m e ra n de x p l i c i tl i n k i n gt h ed y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y ，t h er e a l t i m er e a d i n ga n ds a v m go fe r r o rd a t ai sr e a l i z e d t h em e 龇e m e mc i r c u l a rc o n t o u r i n gi s d y n a m i c a l l yd i s p l a y e dt h r o u g hw i n d o w sg d i i ti sv e r i f i e dt h o u g he x p e r i m e n t st h a tt h ec t ia c h i v e st h ed e s i g na c c u r a c ya n dm e e t st h e m e a s u r e m e mr e q u i r e m e n t s k 呵w o r d s ：n cm a c h i n e ；i n t e r p o l a t i o ne r r o r ；c i r c u l a rt e s ti n s t r u m e n t 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其它个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其它已申请 学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1数控机床误差及其测量方法 近年来随着数字控制技术的快速发展，数控机床得到了广泛的应用，同时数控机床 的加工精度也已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。数控机床是集微电子技 术、计算机控制技术、信息处理技术、自动检测技术等高新技术于一体的大系统，具有 高精度、高效率、高适应性等特点，在实现装备制造业柔性自动化、集成化、智能化等 方面起着举足轻重的作用。随着对机床加工精度的要求愈来愈高，对数控机床的测试仪 器提出了更高的要求。如何快速准确的对数控机床进行标定，进一步进行误差补偿，得 到广泛的重视。 对于数控机床来说，误差测量方法从形式上可分为单项直接测量法和综合测量法两 大类： 单项直接测量法源于追寻影响机床精度的主要部件，由机床制造厂首先采用。该方 法利用相应的测量设备对各个单项误差逐个进行测量，得到独立的各个单项误差。传统 的用于对位置精度的测量方法有直线光栅尺【1 1 、步距规【2 1 、标准量块【3 1 、读数显微甜4 1 、 球列【5 】等，一般直线度误差在机械和光学基准的情况下，可采用电容或电感测微仪【6 】、 四象限光电池【7 】等进行测量。角度误差采用自准直仪【剐、机械或电子水平仪【9 】等测量。 上述测量方法都有成熟的测量仪器。 然而，直接测量法面临的问题是：机床的误差非常复杂，如三轴数控机床就有2 1 项单项误差，逐项测量是不实际的；产生误差的原因有很多，单项误差也是各项误差原 因复合的结果，找出产生误差的主次原因以便采取相应对策，也是现代测量的任务。所 以，快速准确的测量综合误差，并迅速查找出误差产生的原因，通过误差补偿等方式实 施调整，是现代生产最需要的i l o j 。而直接测量法测量时间长，需要专人负责，且有的测 量方法对环境条件要求严格，测量仪器往往价格昂贵，不适合大规模批量测量。 综合误差测量法参数辨识方法是对机床工作区内指定点的误差进行综合测量，通过 数学模型对综合误差进行参数辨识，间接得到机床各项误差参数值。综合误差测量提供 了一种快速和有效的估计机床的误差各分量的方法，并且使测量误差的成本大大降低， 但误差模型的建立的准确性和易用性对误差补偿的效果有很大的影响。主要的综合测量 方法有光栅阵列法，d b b ( d o u b l cb a l lb a r ) 球杆仪测量法，一维球列法【1 1 】，二十二线测 量法【1 2 】等。 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 1 2 数控机床的圆测法 2 0 世纪8 0 年代初以来，为了快速对机床精度进行评定，国内外学者进行了不懈的 努力，开发并逐渐完善了一种机床精度的综合测量评定方法一圆测法【1 引。也就是通过 机床走圆的轨迹来对机床的轮廓加工精度进行评价。借助于标准参考物或简单的测量仪 器来获得机床两轴联动圆轨迹的综合信息，然后通过理论分析得到机床的相关误差，为 机床的精度诊断以及机床的误差补偿提供支持。因为n c 机床两轴联动圆轨迹的误差图 像反映了从指令发布一机电耦合伺服系统一驱动件一执行件一检测件直至终端的情况 的丰富的信息。各种故障或者是误差源都能使本该是一真圆的理想圆图像发生畸变，典 型的精度异常或者故障通常有与之对应的典型圆图像。实际上，即使作为闭环系统的终 端检测器的线型标尺有局部误差开环或闭环系统滚珠丝杠有局部误差和推力轴承装配 不当，甚至工作台塞尺松动以及两轴定位环路增益不一致等，都会在误差圆图像上有所 反映【1 4 l 。当机床走圆轨迹时，显然参与圆弧插补的两个轴的加速度、速度及位置都经历 了正弦形式的变化，即检测机床圆运动的轨迹精度不仅可以获得与机床的几何精度、位 置误差、重复精度有关的信息，还可以获得与进给速度和伺服控制系统有关的动态误差 分量的信息，包括机床爬行、标尺误差、反向间隙、伺服增益不匹配及由于伺服响应滞 后引起的误差。因此，机床的圆轨迹运动精度能全面地反映出机床的加工性能及误差i l 引。 用圆测法可以提供机床误差的最大值或平均值，已作为机床评定的标准方法，在机 床精度评定、定期验收过程中起到重要作用；其中一些方法也可用来进行机床几何误差单 项测量和进行部分误差的分解。圆测法已被国际标准化组织i s 0 1 6 j 和a n s f a s m e 1 7j 认 可为进行机床精度评定的有效方法。 1 3圆测法的主要测量手段 1 3 1 基准圆盘法 圆盘法是根据瑞士k n a p p 1 8 - 2 0 l 博士的方案，为了检测三坐标测量机的坐标系而开发 出来的方法。其基本结构如图1 1 所示。该方法通过已经标定的高精度标准圆盘获得机 床相对圆盘的径向误差值，做出机床误差圆轨迹图像。 其测试方法为：将标准圆盘固定在工作台上，在数控机床按程序作圆运动时，设定圆 运动的半径等于圆盘的半径，通过装在主轴上、与圆盘保持稳定接触的传感器绘制出实 际的圆运动轨迹：如果安装两个传感器，即可进行平面二维测量。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 圆盘法结构图 f 遮1 1 s t r u c t u r eo f s t a n d a r dd i s c 尽管用标准圆盘法能够分析得出影响机床几何误差的主要原因，但由于受到标准圆 盘精度、测头与圆盘的摩擦引起的振动、测头球端的形状误差等影响，该方法的测量精 度不高，一般要求圆盘的精度在半径小于5 0 m m 时，圆度误差在1 m 以内；当半径大于 5 0 r a m 时，圆度误差在靴m 以内。除此之外，用标准圆盘法难以分解造成相同圆轨迹误 差的单项误差，也很难进行精确的数值计算，因此适用于只需了解最大误差的机床验收 及定期检测。 s 。- 1 3 2 平面正交光栅法 平面正交光栅( c r o s sg r i de n c o d e ) 测量法f 2 l 矧( 又称k g m ) 是德国h e i d e n h a i n 公司于 1 9 9 6 年发明的。平面正交光栅法基本结构如图1 2 所示： 图1 2 平面正交光栅结构图 f i g 1 2 s t r u c t u r eo fc r o s sg r i de n c o d e 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 其测试方法为：用光的衍射原理，通过读数头与后续电路，可以直接读出运动轨迹 位置的精确信号，工作时将平面光栅放置在n c 机床的工作台上，读数头安装在机床的 主轴上且固定不转动，使两者间隙为4 m m ，平面光栅在工作台的带动下与读数头相对 平动，通过后续电路和计算机程序处理，便可清晰地得到n c 机床测量轨迹的误差轮廓。 该方法为非接触测量，分辨率高，一般可达5 n m ，测量精度在两个方向均可达到 弘m ，可方便地进行不同轨迹、不同平面的测量；但该方法的实现需要较大的平面光 栅，制造困难、造价较高为其不足之处。 1 3 3 激光球杆仪 美国佛罗里达大学机械工程系的j o h ncz i e g e r t 教授领导的研究小组开发了一种称 为激光球杆仪( l a s e rb a l lb a r ) 的测量装置【珏州，该装置应用激光跟踪技术，使单个测量 杆的测量范围从l m m 扩大到了1 8 0 ( 5 4 0 - ，3 6 0 ) m m 。激光球杆仪的测量原理如图1 3 所示。 图1 33 d 激光球杆仪结构图 f i g 1 3 s t r u c t u r eo f3 dl a s e rb a l lb a r 其测试方法为：测量时，将球杆一端装在精确标定了位置的置于工作台的三个球座 上，机床作圆运动时，三个球杆精确读出其长度值，通过简单计算，就可得到三棱锥顶 点的三个方向的实际坐标值，将其与指令值进行比较即可得到机床工作空间的误差值。 该仪器的理论精度达到2 5 7 1 4 耻m ，与激光干涉仪的比较试验结果证明：两者的 误差为0 靴m ，激光球杆仪具有相当高的精度，可以用来进行机床运动精度的评定和 误差补偿的研究。此外，将激光球杆仪可以用于不同轨迹的测量。该方法的不足之处是 仪器制造较困难，仪器的标定和修正比较复杂，因此影响了仪器的推广。 1 3 4 非接触式激光测量 非接触式激光测型2 5 1 ( n l m n o n c o n t a c tl a s e rm e a s u r e m e n t ) 方法是一种使用平 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 面反射镜作为标靶的单头激光多普勒位移测量仪进行圆轨迹运动精度的非接触测 量方法。其结构图如下所示： 光学聚光镜， 二 夕7 至二工 一哟 辫 ：循圈刀轨违 7 j 莲手 i - 一 、 i i 出一 t 2 i i l l 、- 。j 露 图1 4 非接触式激光测量方法图 f i g 1 4 s t r u c t u r eo ft h en l m 其测试方法为：当机床作圆运动时，平面镜相对于激光束的任何垂直或者平行移动， 平面反射镜的反射光与激光发射光将始终是在同一路径上，平面镜的宽度只要略大于所 走的圆弧直径即可。 非接触式激光测量方法可以在半径为1 5 0 m m ( 视平面发射镜长度而定) 的范围内，测 量数控机床作任意半径的圆轨迹运动误差。该方法继承了主要圆轨迹测量方法的优点。 因此能比较全面地反映数控机床的运动误差。但激光头价格比较昂贵，所需的平面镜制 造也比较困难，限制了其进一步使用。 1 3 5 双球规球杆仪 球杆仪由美国l a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a ll a b 的j b b r y a n 于1 9 8 2 年首先发明的 【2 6 2 7 】。主要用于快速检测数控数控机床运动误差。球杆仪由两个精密的金属圆球和一 个可伸缩的连杆组成，在连杆中间镶嵌着用于检测位移的微位移传感器。双球规球杆仪 的结构如图1 5 所示： 其测试方法为：装在工作台上的小球通过磁性连接座和传感器杆的一端相连，另一 和传感器一端相固连的小球通过磁性座和主轴相连。两精密球球心距经精确标定，机床 以半径r 做圆轨迹运动时，通过l v t d 读数反映机床综合误差数值。 球杆仪法避免了标准圆盘自身加工误差对测量的影响。操作方便、测量速度快、信 息量大，可以用于对机床的“一日测试”，因此世界各国都对其进行了广泛研究。 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 图1 5 双规球杆仪的结构图 f i g 1 5 s t r u c t u r eo ft h ed o u b l eb a l lb a r 1 4 球杆仪的发展现状 1 9 8 2 ，j b b r y a n 在美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室首先开发了用于快速检测 数控数控机床运动误差的球杆仪。当时他们做了两种球杆仪，固定式的和可伸缩式的。 他在文献【2 6 】中介绍了这两种球杆仪的原理，操作方法以及具体应用。文献【2 7 1 中j b b r y a n 具体而详细的介绍了球杆仪的构造细节。这为后人的工作起到了客观导向作用。 y o s h i a k ik a k i n o 与其合作剖2 8 】采用球杆仪进行了圆测法试验研究，提出机床圆轨迹 径向误差与机床空间点e ( x ，y ，z ) 存在如下关系： a r = ( 扭r + y e y + z e ，) r ( 1 1 ) 、 一 厶7 式中，e r ，目，e ，是点p ( x ，y ，z ) 在三轴上的误差分量。该关系式为后来的学者 进行深入研究奠定了基础。 韩国工业技术研究院h d k w o n 于1 9 9 8 年和英国m b u r d e k i n l 2 9 】一起改进了现有 的球杆仪结构，这体现了韩国这一新兴的工业国家因受先进制造业发展需求的推动在数 控装备测试理论与方法研究方面的加速努力。 目前，国外有不少厂家将球杆仪投入商品化，如美国的a p i 公司、英国的r e n i s h a w 公司、日本东京精密公司和的国的海德汉公司等，其中尤以获得英国女王奖r e n i s h a w 的q c l 0 型球杆仪最好。但国内目前还没有形成相应的产品。 近年来国内学者也对球杆仪做了大量的研究。 大连理工大学硕士学位论文 台湾地区的新竹交大的j m l a i 等【3 0 】从d b b 法出发发展了诊断数控机床导轨非线 性建模分析法。浙江大学吴昭同教授对d b b 进行改装【3 ，开发了数控机床圆轨迹运动 误差测试仪并申请了国内专利。西北工业大学马锡琪教授【3 2 】据此圆测法理论研制了测量 仪器双球规，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。华中科技大学国家数控实验室的刘焕牢【3 3 l 等提出一种用于测量数控机床圆运动轨 迹误差的新装置二维球杆仪，该仪器不仅可以测量圆轨迹点的径向误差，而且可以测 量角度误差。天津大学的章青，刘又午等【3 4 5 1 在基于多体理论的机床综合误差建模、参 数辨别及机床精度补偿技术方面也已做了大量深入广泛的研究工作，提出通过在三个坐 标平面内测量3 2 个圆或圆弧，从而分解2 1 项误差的新方法。 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j j n - r 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和 价值。 本文就是在j b 。b r y a n 等国内外的研究基础之上，设计制作了新的球杆仪数控 机床圆轨迹插补误差检测仪，简称圆测仪。 1 5 本文的主要内容 本文基于圆测法的原理，设计制造数控机床圆轨迹插补误差检测仪圆测仪，主 要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据数控机床圆轨迹测量的原理以及目前主要圆轨迹误差检测方法的优缺点， 构建圆测仪的总体构成方案。 ( 2 ) 研制圆测仪的机械结构，分析其制造装配结构误差，研究补偿圆轨迹径向误差 的措施。 ( 3 ) 开发基于u s b 总线通信协议的圆测仪数据采集系统，内容包括：采集系统电路 板的设计，单片机固件编程等。 ( 4 ) 开发主机端数据采集处理应用程序，内容包括：驱动程序设计，m p u s b a p i d l l 函数调用，主机端u s b 数据采集与保存，实时画图显示轨迹轮廓，圆测仪的校准等。 ( 5 ) 设计实验检测圆测仪的精度，验证补偿效果。 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 2 圆测仪机械结构设计 2 1 圆测仪工作原理 球杆仪的结构示意图如图2 1 ，两个直径为矽1 1 5 m m 的精密钢球之间装有微位移传 感器，装在工作台上的小球通过磁性连接座和传感器杆的一端相连，另一和传感器一端 固连的小球通过磁性座和主轴相连。球心距r 经精确标定，机床以半径r 做圆轨迹运动 时，两钢球间实际距离的变化反映出运动轨迹的精度。两精密球之间的长度计用来确定 位移变化量a r 。 图2 1 圆测仪工作原理图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec i r c u l a rt e s ti n s t r u m e n t 如图2 1 所示，o ( o ，0 ，o ) 设定为球杆仪的工作原点，p ( x ，y ，z ) 为运动端球心指令坐 标。在机床圆轨迹插补过程中，运动端球心实际位置为尸( x ，y ，z ) 。指令点p 与实际 点尸的几何关系为： 式中：缸，母，z 分别为坐标方向上的误差值； 那么在半径误差方向上的数量关系为2 8 】： 一8 一 ，乙 ，l x y z 一 一 一 = = = 血妙& 大连理工大学硕士学位论文 ( 尺+ 欲) 2 - - x 2 + j ，2 + z “= ( x + 缸) 2 + ( y + 缈) 2 + ( z + 止) 2 ( 2 2 ) 式中：r 圆轨迹插补指令半径； a r 半径方向上误差； 忽略二阶小量： a r = ( x a x + y a y + z z ) r ( 2 3 ) 长度计的读数反映了a r ，根据欲可以做出所测量圆的误差曲线，直观的看到数控 机床圆插补的误差，建立相应的数学模型，诊断出出现误差的原因，找出机床部件相互 几何关系对机床运动精度的影响，为机床的调整与补偿提供可靠的依据。 2 2 总体设计 圆测仪总体设计可分为三部分：机械结构测量部分，数据采集系统，p c 端数据处 理应用软件。各部分连接示意图如图2 2 所示。圆测仪中心球基座放在工作台合适的测 量位置，保证在数控机床圆插补运动时不会超出其量程，尽量在数控机床长时间加工范 围内测量，以提高测量诊断的针对性。圆测仪一端吸附在中心球上，另一端吸附在主轴 球座上。位移传感器传可以测量两个精密球之间的距离变化，数据采集系统通过u s b 接口把采集到的误差数据传送到主机中，主机内预装圆测仪测量软件和数据采集系统驱 动程序。 图2 2 圆测仪测量系统 f i g 2 2 c i r c u l a rt e s ti n s t r u m e n tm e a s u r i n gs y s t e m 设计完成的圆测仪系统参数如下： 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 表2 1 系统规格 t a b 2 1 s y s t e ms p e c i f i c a t i o n 项目参数 传感器分辨率 传感器精度 传感器测量范围 系统精度 最大采样速率 校准规精度 0 5 岬 士1 l a i n 1 2 m m + 2 1 a m 5 0 个秒 士l l a m ( 1 5 0 m m ) 2 3 机械结构设计 机械机构部分是测量的基础，它由中心球基座，位移传感器，球杆，主轴球座连接 杆四部分组成。设计完的装配图如图2 3 所示，装配图详见附录。 图2 3 圆测仪结构图 f i g 2 3 c o n s t r u c t i o nd r a w i n go f t h ec i r c u l a rt e s ti n s t r u m e n t 1 底座2 磁铁3 固定环4 球头空心柱5 球柄6 精密球7 磁铁8 球座9 弹簧1 0 长度计1 1 杆身1 2 握紧环1 3 橡胶环1 4 尾套1 5 球柄1 6 精密球1 7 磁铁1 8 弹簧1 9 球座2 0 延长杆 大连理工大学硕士学位论文 2 3 1 位移传感器的选择 圆测仪测量数控机床圆轨迹径向误差。由于数控机床的精度很高，因此，对数控机 床精度检测及诊断工具的精度要求更高。因此在选择位移传感器时，要综合考虑。 近年来发展较快的有电感位移测量装置、磁栅尺测量和光栅尺测量等。电感式位移 测量装置结构比较简单，其传感器体积小、精度可调节，它是一种比较式测量仪器，测 量精度取决于校对量块( 或校对试样) ，但测量数据易受温度、时间的影响，测量距离 比较小，其输出信号为模拟量，数据转换及处理比较困难。但目前由于电感式位移测量 装置技术上比较成熟，在球杆仪中应用相当广泛，比如r e n i s h a w 的q c l 0 。光栅测量采 用数字脉冲传感器，输出信号为脉冲数字量，数据不受温度、时间的影响，抗干扰性能 较好，它是一种定值式测量仪器，一个脉冲反映一个单位位移，测量精度取决于光栅刻 线的准确性，测量距离不受限制，能动态而又高精度地测量直线位移，还可以测量角位 移。由于其测量精度高、操作简单，是一种比较理想的测量工具，因此，在本设计当中， 采用海德汉公司的s p e c t o1 2 7 8 长度计，其光栅周期2 0 p m ，测量精度1 阻1 36 。其结 构图如下所示： 毒苛三蓁量函嘉耄蚕、 眭 h e i d e n h a i n 的s t l 2 7 8 长度计测头的检测力很小，接触灵敏，体积小巧。其内含 数字化及5 或1 0 份细分电路，提供t t l 电平方波。 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 2 3 2 基座设计 基座固定在工作台上，主要起支撑固定作用，基座上的圆球为圆插补运动的圆心。 虽然整个测量过程没有切屑力，但还是要要求基座能够牢固的固定在机床工作台上，而 且要便于装卸，以节省安装时间。基座的装配图如图2 5 所示： 图2 5 基座装配图 f i g 2 5a s s e m b l yd r a w i n go ft h eb a s e m e n t 为了基座能方便地在工作台上装卸，在底座1 下安装了矽5 0 m m 的底座磁铁2 ，靠磁 力吸附在工作台上，因为测量过程没有加工力，所以磁力吸附也很可靠。磁铁2 采用钕 铁硼磁铁，表面经过电镀镍处理，表面磁场4 2 0 0 高斯，吸附力1 1 k g 。固定环3 是从上 海三住精密机械有限公司订购的外购件，它靠两个螺栓固定在底座1 上，固定环3 用紧 固螺栓( 图中未画出) 夹紧空心球头柱4 的球头部分，以此来固定精密球6 的位置。当 紧固螺栓松开时，件4 、5 、6 作为一个整体可以自由移动，当主轴上的磁性座靠近精密 球6 ，吸附牢固以后，由于球头空心柱的底端为球形，所以无论4 往任何方向倾斜，处 于何种姿态，拧紧紧固螺栓以后，都可以固定4 的位置。球柄5 一端带m 6 的螺纹，用 来和空心球头柱4 连接，另一端带2 m m 的轴，和精密球6 上的孔过盈配合固连。精密 球6 是直径为矽1 1 5 m m 等级为g 1 0 的滚动轴承钢球，其球直径变动量。m a x 为 o 2 5 a m ，球形误差为o 2 5 a m 。固定环的结构图如图2 6 所示： 大连理工大学硕士学位论文 上 杉奔、 心拶 图2 6 固定环 f i g 2 6 s e tc o l l a r 2 3 3 球杆设计 球杆是圆测仪中最重要的结构部分。它构成了圆轨迹测量中的半径，并直接测量圆 轨迹半径误差，它是圆测仪的主体部分。它包括外壳，长度计和球测头三部分。两球球 心距要求装配完成后1 5 55 ：0 1 m m ，所测量的圆轨迹半径为1 5 0 m m ，多出的5 m m 使用校 准规校准，然后在软件中补偿。球杆的装配图如图2 7 所示： 图2 7 球杆装配图 f i g 2 7a s s e m b l yd r a w i n go fb a l l - b a r 球座8 和球6 接触的部分是经过研磨的球面，以保证球座和球的稳定接触；球座8 中空，内放强力磁铁，弹簧9 一端压紧磁铁，另一端顶在长度计1 0 上，球座8 外面设 计扳手槽，安装方便。杆身“两端带有m 1 8 细牙螺纹，与球座8 连接部分带有宽7 m m 的电缆槽，为长度计电缆伸出之用，另一端连接握紧环1 2 。握紧环1 2 为杆身重要部件， 一方面定位长度计，另一方面连接杆身1 1 和尾套1 4 。其结构图图2 8 如所示。 握紧环1 2 一端带有m 1 8 细牙螺纹，连接杆身1 1 ，另一端带有特殊设计的定位装置， 用来定位长度计。如图2 8 所示，右端内孔为精度h 7 ，表面粗糙度o 8 的装夹孔，与长 度计彩8 办6 的标准装夹杆配合，装夹孔四周开有十字槽，外表面为表面粗糙度o 8 的锥面， 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 锥面与尾套的内孔配合，当握紧环1 2 和尾套1 4 通过螺纹拧紧时，握紧环的锥面收缩， 握紧环就会自动握紧长度计的标准装夹杆。握紧环外设有压花，方便拧紧。 图2 8 握紧环结构图 f i g 2 8 s e tc o l l a r 尾套1 4 一端带有m 1 8 细牙螺纹与握紧环1 2 连接，另一端开有6 h 7 的孔，用来通 过球柄1 5 。球柄1 5 一端为m 2 5 的螺纹，连接长度计，替换长度计自带的测量触头， 另一端为带q 6 2 m m 的轴，和精密球1 6 上的孔过盈配合固连。精密球1 6 同球6 一样，为 直径为矽11 5 m m 等级为g 1 0 的滚动轴承钢球，其球直径变动量m a x 为0 2 5 a m ，球 形误差为0 2 5 t m 。 整个球杆装配完成以后，要求两球心连线与长度计测量方向同轴度不大于0 1 m m 。 2 3 4 主轴连接杆设计 主轴连接杆夹在机床主轴上，随着机床主轴做圆插补运动。球座1 9 与精密球1 6 连 接的部分是经研磨过的球面，以保证球座与球的稳定接触。球座1 9 内空，放x q 6 6 m m 的 钕铁硼磁铁，表面经过电镀镍处理，磁铁1 7 表面磁通4 2 0 0 高斯，吸附力1 1 k g 。为了 保证磁铁在球座内部不会移动，用弹簧1 8 压在磁铁1 7 上，这样既保证了球座1 9 和连 杆2 0 的连接稳定，又压紧了磁铁。 其中连接杆2 0 和弹簧1 8 为外购件。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 结构误差分析 图2 9 主轴连接杆 f i g 2 9s p i n d l ec o n n e c t o r 2 4 1制造与装配的径向误差 圆测仪直接测量的是圆轨迹半径的误差，因此控制圆测仪在圆轨迹半径方向上的长 度误差就显得格外重要。本设计通过对圆测仪进行校准，使得其在圆轨迹半径方向上有 很高的精确度，其精确度能达到校准规的精确度。校准规采用德国s c h o t t 公司的 z e r o d u r 微晶玻璃校准规，这种校准规是用零温度膨胀系数的微晶玻璃制成，具有很高 的稳定性，校准精度在1 5 0 m m 时为+ l , u m 。校准的过程及原理如下： 图2 1 0z e r o d u r 校准规 f i g 2 10 z e r o d u rc a l i b r a t e r 在自由状态下，连接圆测仪和p c 机，清零软件的读数。由于在装配过程中要保证 圆测仪的球心距为1 5 5 o 1 m m ，所以当把圆测仪的球杆( 连同中心球一起) 放到校准规 上间距为1 5 0 m m 的两个球座上时，长度计会被压缩一段距离，这段距离会被软件记录 下来，这个点会被记做长度计的零点。被压缩一段距离后的两个球心之间的距离为 1 5 0 0 0 0 1 m m 。当在使用圆测仪测量时，p c 端软件以已记录零点为原点，记录机床的 半径误差。 在使用圆测仪测量过程中还要注意以下几点以保证校准精度： ( 1 ) 确保球杆的全部螺纹连接处已经拧紧，拧紧螺栓能保证握紧环1 2 夹紧长度计的 标准定位杆，同时能确保连接处不会松动； ( 2 ) 精心使用圆测仪和校准规。手的温度会导致圆测仪的热膨胀。在这种情况下， 在使用圆测仪和校准规之前戴上棉手套或用其它隔热材料作成的手套。用手拿着传感器 本体几秒钟就会使其膨胀几微米； 数控机床圆轨迹插补误差检测仪的研究 ( 3 ) 在使用之前应使圆测仪和校准规在使用环境温度中定温； ( 4 ) 检查校准规磁性座是否干净； ( 5 ) 稍微旋转一下球杆，以检查球杆与磁性座是否正确啮合。 2 4 2 同轴度引起的径向误差 这里同轴度误差指的是两球心连线和长度计测量轴心之间的同轴度误差。在零件的 制造和装配过程中，由于制造误差及螺纹连接的不稳定性，会造成长度计测量方向和两 球心连线的不重合。误差示意图如图2 1 1 所示，d 1 q 为两球心连线，即测量开始时的 半径，q d 3 方向为长度计测量方向，0 2 0 ；为测量过程中圆轨迹半径的实际变动量，d 3 q 为长度计测量的圆轨迹半径变动量，d a 为两条轴线位置变换后在末端的距离。于是， 当两球心连线和长度计轴心存在大小为皱q 的同轴度误差时，在圆轨迹测量半径方向上 就会存在q q q d ；大小的误差。 孵噼箍嗍删= 罕嗍制 ( 2 1 ) 圆轨迹测量半径为1 5 0 m m ，假设比较极端的情况，两球心变动量q 0 2 为o 1 m m ， 两球心连线和长度计轴心的同轴度0 2 0 3 为2 m m ，圆轨迹测量半径方向上误差 q 0 1 ；一d 2 q = 0 0 0 0 0 0 8 m m ，即使在这种情况下，径向误差也可以忽略不计，这是因为 同轴度的误差处在径向误差的不敏感方向。在实际情况中，同轴度误差不可能有2 m m 那么大，因此，可以忽略不计。 q 么遁 图2 1 1同轴度引起的径向误差 f i g 2 11 r a d i u sd e v i a t i o nd u et ot h ec o a x i a l i t y 2 4 3 偏心误差 偏心误差指的是机床指令圆心o 与圆测仪旋转中心o 存在的不重合的偏差a ( x 方 向) ，b ( y 方向) 。当在机床工作台上安放中心球座时，应将其与刀具球座尽可能地对齐。 大连理工大学硕士学位论文 尽管在圆测仪安装过程中的对心方法很有效，但也不能完全消除两个中心的偏差；另外 主轴磁性座的轴心与主轴轴心的不同轴度也会引起一定的偏心误差。该误差相对于机床 运动误差呈周期性变化，对测量结果有较大影响，需校正，以消除偏心对测量结果的影 响。偏心误差计算如图2 1 2 所示，其中r 为两球心之间的距离。 y 广 我签可 。 夕弋 图2 1 2 偏心位置误差计算 f i g 2 1 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o rc e n t e r - o f f s e te r r o r 当机床做圆轨迹运动到给定指令位置( 毛，咒)