用激光檢測系統(tǒng)評定和修正CNC機床
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在排除了由刀具磨損、工件編程差錯、夾具變化和原材料等問題的可能性后，余下的就是要確定CNC機床是否是引起問題的根源。首先要明確的是，刀具是否按照工件的編程命令移動到正確位置。例如裝在一臺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。因為機床是三軸的，所以每一個軸都必須被檢測。
當(dāng)對單個坐標(biāo)軸進行評定時，核心的問題是工作的復(fù)雜性。每一個坐標(biāo)軸都可能有六項誤差：線位移的位置誤差、在垂直于軸的兩個正交方向上的直線度誤差以及俯仰、偏轉(zhuǎn)和滾動三個角度誤差。此外，還需要另外的裝置去檢測機床三個坐標(biāo)軸之間的相互垂直度。因此，對于一臺具有三個坐標(biāo)軸的機床就具有21項可能的誤差源。
機床測量
長期以來，對機床的測量都使用步距規(guī)、直尺、方鐵和指示表。使用這些工具進行檢測，則要求有技術(shù)、經(jīng)驗豐富的檢測人員，即使這樣，也難免產(chǎn)生大的計算誤差。由于每測量一項誤差需要一個單獨的測量裝置，要完成21項誤差測量，時間就成了最大的障礙。由于生產(chǎn)和時間的制約，往往限制了被檢測的誤差項目數(shù)，生產(chǎn)車間常常只試圖確定和修正主要誤差源而不對機床進行全面檢測。例如常用的診斷工具可伸縮球桿尺，它對于確定動態(tài)誤差和提供相對的坐標(biāo)軸運動信息十分有效，還能測量回程間隙、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)軸正交性以外的機床其它幾何要素的可靠測量。
使用激光干涉儀來考核機床可消除使用其它方法測量機床坐標(biāo)軸時所出現(xiàn)的各種問題。激光干涉儀被看作是精密長度測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，能測量兩個正交方向的直線度和三個角度誤差中的兩個誤差：俯仰誤差和偏轉(zhuǎn)誤差。
為滿足機床運動精密測量的需要，開發(fā)出了各種激光測量系統(tǒng)。雖然可應(yīng)用許多不同的測量系統(tǒng)，但大多數(shù)依賴于三種測量方案之一，以達到相同的測量結(jié)果。一種方案是測量工作空間的對角線，其精度取決于被考核機床的重復(fù)性，但這種方法不能提供各軸的單獨誤差，而這些誤差有助于確定也許需進行的適當(dāng)?shù)臋C械修正(如垂直度的修正)。另外兩個方案主要著重于機床坐標(biāo)軸的直接測量。在用一些系統(tǒng)測量一個坐標(biāo)軸的同時由其它系統(tǒng)測量另外的坐標(biāo)軸。后一個例子是API(Automated Precision Inc)的6維激光測量系統(tǒng)。它能同時測量一個坐標(biāo)軸的5項或6項誤差，這可減少80%的測量時間。此外，在測量這些誤差的同時還提供其相互間的關(guān)系。
在用API系統(tǒng)測試以后，經(jīng)分析結(jié)果表明，也許一個坐標(biāo)軸比其它兩個軸的精度低得多。通常，利用這個信息足以確定哪個坐標(biāo)軸需要進行修正。如果單個坐標(biāo)軸的各項誤差都小于要加工的工件誤差，但操作者還是應(yīng)該確定機床是否能加工合格的工件，因為誤差會按幾何合成而增大(以三維角度合成)，所以就必須要了解一個軸的誤差如何在另外兩個軸上產(chǎn)生影響。比較典型的是在CNC機床上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，而在測量過程中，不可能發(fā)現(xiàn)這些誤差，因為測量時在某一時刻只移動一個軸。再有，要分析評定21項誤差的每一個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。軟件能提供一個空間誤差圖形，提示出在機床有效工作空間的每一處所測量到的21個單項誤差的綜合作用結(jié)果。軟件可方便地確定機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)控機床是工件公差變化的原因，則必須修正機床誤差。為了確定最有效的修正方法，必須評定機床的重復(fù)性。重復(fù)性是機床穩(wěn)定性的度量，機床刀具根據(jù)其穩(wěn)定性移動到某一命令位置。例如刀具接收到一個命令要移到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，則該機床是一臺高度穩(wěn)定的機床，但不是一臺精密的機床。當(dāng)一臺機床重復(fù)某一個誤差，或帶有一點點變化，則可方便地用調(diào)整命令的位置來修正誤差。
在這個例子中，操作者可命令刀具到X=5.050，此時刀具會非常接近地在X軸上到達期望的位置。對某一臺機床而言，僅依靠調(diào)節(jié)命令位置來改變程序，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修正這些誤差，這就是通常所說的“節(jié)距補償”，因為移動坐標(biāo)軸的常用方法是用馬達驅(qū)動絲杠螺母傳動副。位置由編碼器中光學(xué)圓盤上的計數(shù)脈沖來確定，編碼器每轉(zhuǎn)一圈能發(fā)出大量脈沖，編碼器轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，機床移動一個螺距。
如果一個誤差重復(fù)，則可通過控制器來修正；如果一個誤差不重復(fù)或變化超過了期望的公差值，則必須對機床的機械系統(tǒng)或電氣部分進行修理。
大多數(shù)的機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，它們是機床有效空間的一組點位。對網(wǎng)格中的每一個特定的X、Y和Z的點，給出一個修正值。對每一個點，將21個單項誤差綜合成一個修正值就需要建立誤差模型和進行計算，它們常常超出了機床操作技術(shù)人員的能力?，F(xiàn)在可提供3維誤差模型和修正軟件以及這些網(wǎng)格。
如果一個控制器不能補償機床的所有誤差并且單獨的線位移補償不能提供期望的結(jié)果，其修正仍然可以實現(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。這需要使用第二個控制器來實現(xiàn)，第二個控制器將會變換提供給基于誤差模型分析軟件的機床原來控制器的機床標(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)來評定CNC機床可以作快速和綜合的分析，這些工作若用其它方法來做，將很耗費時間且又不經(jīng)濟。用誤差模型軟件分析數(shù)據(jù)降低了處理過程的復(fù)雜性，并可不斷生產(chǎn)出合格工件。
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