运用激光测量提高U5龙门加工中心精度

周文军 何屹

摘要：用激光干涉法测量误差的原理，通过的误差补偿对数控机床的定位误差及反向间隙进行补偿，实验结果表明这种方法可以大幅度提高数控机床的精度。

关键词：激光干涉；数控机床；定位误差；误差补偿；加工精度异常

引言

随着数控机床在机械制造中已得到广泛的应用，机床加工精度的要求越来越高，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的精度提出了更高的要求。本文就是基于上述思想，通过常德烟草机械有限责任公司2010年1月引进的一台美国辛辛那提U5龙门加工中心为例，在厂家调试人员多次调试未果的情况下，本人结合自身多年维修经验，通过误差补偿系统对数控机床进行检测和补偿，显著地提高数控机床的精度，使其工作于最佳精度状态，从而确保数控机床的加工质量。

1.设备故障现象

美国辛辛那提U5龙门加工中心在厂家工作人员调试后，于8月正式交车投入使用。然而U5在使用过程中，经常出现加工精度超差的现象，尤其在加工主墙板的过程中更为严重。现象表现为：主墙板X轴方向孔定位精度最高要求为0.0175mm，实际测量结果圆4、圆51等误差都接近0.04mm，加工的8件主墙板中仅2件基本合格，致使U5龙门加工中心在交车后一直无法正常生产。美国辛辛那提U5龙门加工中心引进价格为228万美元，折合人民币228*7.5=1710万元，按十年折旧计算，一年225个工作日，每日折旧7600元。由于U5无法进行正常的精度加工，设备根本不能正常生产，仅停工引起的折旧损失费每天就为7600元，还不包括设备功能正常发挥以及零件报废的重大损失。这个问题一直是公司的一个心病。

2.故障分析

由于U5龙门加工中心在加工零件时出现精度超差的现象，这个问题一直困扰公司大型精密零件加工工作。本人对精密零件加工超差的原因进行认真分析，结合自身多年维修经验，初步认为反向间隙、定位误差、重复定位误差、热膨胀系数是影响U5龙门加工中心加工精度、产生加工误差的主要因素，并确定为重点攻关目标，通过逐一进行排查，确定故障点。首要任务是对数控机床测量数据的误差和测量过程的误差进行分析并判断其结果的准确性。

2.1测量数据的误差分析

同一台机床，由于采用的标准不同，所得到的反向间隙、定位精度也不相同。因此在对測量数据的进行误差分析时，也要注意它所采用的标准。目前数控机床位置精度的误差分析通常采用国际标准ISO230-2、国家标准B10931-89、德国标准VDI3441、日本JIS B6336等。根据我公司和机床生产商的技术协议，U5龙门加工中心采用VDI/DGQ3441标准。

2.2程的误差分析

用激光干涉仪检验U5龙门加工中心精度的测量过程误差主要来源：

1）传感器造成的误差，激光干涉仪的气温、相对湿度传感器已尽量靠近激光束的测量路径传感器没有接近马达等局部性热源或是冷气流。故传感器不是误差的主要来源。

2）安装造成的误差，主要是由测量轴线与机床移动的轴线不平行而引起的误差，如余弦误差、阿贝测量误差等，在安装镜组时，考虑了光束附近的空气扰动。避免将镜组或激光束放得太靠近任何局部性热源。故安装不是误差的主要来源。

3）热膨胀系数造成的误差，此误差大小取决于U5龙门加工中心光栅尺的热膨胀系数。当测量时热膨胀系数设置为1时，反向间隙、定位误差、重复定位误差都很小，但设备在加工零件时出现精度超差的现象。故热膨胀系数可能是误差的来源。

3.问题的解决

机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。而U5龙门加工中心在加工过程中主要是孔距差，问题的解决应在尽量消除温度误差对测量结果的影响下，选择正确热膨胀系数，提高机床加工精度的内容包括误差检测、误差分析和误差补偿。

4.热膨胀系数选择

对机床进行螺距补偿时，我们采用雷尼绍公司的激光干涉仪作为直线长度标准，该激光干涉仪的热膨胀系数初始值为1×10-6/℃，而U5龙门加工中心精度的测量过程中设置热膨胀系数为11.71×10-6/℃。所谓热膨胀系数是通常指线膨胀系数，表示温度每变化1℃材料长度变化的百分率，则温度变化时材料的伸长量 可表示为式（1）：

由式（2）式（3）可见，由于激光干涉仪的热膨胀系数选择不合理，造成主墙板加工过程的最大误差约0.036mm，已超过墙板0.02mm的误差要求。这也验证了最初判断。由上诉分析可知，激光干涉仪在校准机床时，其热膨胀系数选择对加工精度影响很大，根据主墙板的热膨胀系数，将激光干涉仪的热膨胀系数设置为和主墙板的一样，这样从理论上可以消除误差。

5.定位精度的补偿

所谓补偿就是指通过特定方法对机床的控制参数进行调整，其参数调整方法也依各数控系统不同而各有差异。所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。螺距误差补偿这项工作应该是在机床几何精度调整完成后进行的，这样可以尽量减少几何精度对定位精度的影响。

6.应用效果

生产实践证明，该改进是有效和成功的。自开始改进到目前为止，机床使用过程中从未出现任何问题，彻底解决了机床精密加工问题，这次改进为公司节约了大量的资金，大大的降低了机床的故障率，提高了机床精密加工的合格率，取得了巨大的社会效益和经济效益，因此我们认为改进是非常成功的。

参考文献：

[1]茅振华等.数控机床精度的激光干涉法测试与补偿.机电工程，1999（4）：48～49

[2]刘纪苟等.机床定位误差微处理机补偿的研究.中国仪器仪表学会精密机械学会1985年学术讨论会，1985（12） .