基于激光干涉仪机床位置精度检测准确性的分析

李志宏，吴清锋，曾爱平，成绵龙

(广东产品质量监督检验研究院国家机械产品安全质量监督检验中心，广东佛山 528300)

数控机床 (包括加工中心)是一种应用非常广泛的加工装备，精度非常高，一般都是微米级的，其中定位精度和重复定位精度是反映数控机床位置精度的两个关键指标。目前业内对该两项指标大多采用激光干涉仪进行检测，试验方法按国家标准GB/T17421.2-2000《机床检验通则 第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定》进行，该标准在技术内容上与ISO230-2:1997《数字控制机床位置精度的评定方法》一致。尽管检测设备和方法标准都达到国际先进水平，不同的制造厂或者第三方检测机构在检测同一台数控机床时却时常得出不同甚至差异较大的精度结果。作者通过对同一台立式加工中心进行一系列试验，分析了影响机床数控精度检测准确性的因素。

1 数控机床伺服进给控制系统分类

进给伺服系统按期控制方式不同，可分为开环系统和闭环系统。根据位置检测装置安装位置不同，闭环系统又分为半闭环系统、全闭环系统［1］，如图1所示。

图1 数控机床控制结构图［2］

1.1 开环控制［2］

开环控制系统无位置反馈装置，使用步进电动机(包括电液脉冲马达)作为伺服执行元件是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲控制步进电动机的角位移，步进电动机再经过减速装置(或直接连接)带动丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移，控制步进电动机的转角，就可以间接控制移动部件的位移量，见图1(a)。因系统对移动部件的实际位移量不进行检测，也就无法通过反馈自动进行误差检测和校正，因此开环控制仅适用于加工精度要求不高、负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。

1.2 半闭环控制［2］

半闭环控制数控机床的特点是:机床的传动丝杠或伺服电动机上装有角位移检测装置 (如光电编码器)，通过它可以检测电动机或丝杠的转角，因伺服电动机和丝杠相连，通过丝杠可以将旋转运动转换为移动部件的直线位移，从而间接地检测了移动部件的位移，见图1(b)、(c)。角位移信号被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从位置给定到电动机输出转角间的闭环自动调节。因这种结构只对电动机或丝杠的角位移进行闭环控制，没有实现对最终输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环”控制系统。对于这种系统，位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数 (通常被称为“电子齿轮比”)进行设置。由于机械传动部件未全在位置控制环内，相比全闭环控制系统，控制精度要差些，但它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到了广泛应用。

1.3 全闭环控制［2］

全闭环系统的位置检测装置 (如光栅尺、直线感应同步器等)安装在机床运动部件 (如工作台)上，机械传动部件整个被包括在位置控制环内，见图1(d)，因而控制精度高。基于闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡，故必须综合考虑机电部件的结构参数才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机电的要求比较高，且造价昂贵。

鉴于国内市场使用半闭环控制系统的数控机床应用最为广泛，此次试验选择这类设备作为研究对象。

2 测试部分

2.1 被试机床及测量仪器

测试样机为一台型号为VMC850的立式加工中心，主要参数如下:X、Y、Z轴行程分别为800、550、500 mm，工作台尺寸为550 mm×1 000 mm(宽×长)，见图2。

图2 被试机床外形

Renishaw XL80激光干涉仪 (英国雷尼绍)，线性测量距离 40 m，精度 ±0.5×10－6，分辨率为0.1 μm。

2.2 测试条件

(1)机床测试前放置10 h，调整激光干涉仪光路，之后再继续放置15 h;测试前不进行升温操作;

(2)材料传感器和空气传感器各1个，放置在工作台面上 (具体位置见图3)，用于采集工作台表面温度和环境温度;用分度值为0.1℃的温度计直接采集丝杆表面的温度;

图3 材料传感器和空气传感器放置位置

(3)气压101.2 kPa，空气湿度87%;

(4)不使用机内补偿程序。

2.3 测试参数

此次试验采用GB/T17421.2-2000中规定的标准检验循环开展测量，与测试相关的参数选择见表1。

表1 测试相关参数说明

首先选择滚珠丝杆热膨胀系数为11.7 μm/(m·℃)，连续测量10次，改为10.6 μm/(m·℃)后再连续测量2次，最后在X轴700 mm行程范围内快速往复空运行10 min进行升温操作，设置膨胀系数为11.7 μm/(m·℃)再测量1次，共13次循环式测量。

3 结果与分析

13次循环式测量结果见表2。

表2 位置精度测试结果

3.1 机床丝杆副热稳定状态的影响

从表2和图4看到，机床从冷态开始连续测量至第7次，其定位精度变化很大，直至第8～10次时，才稳定在27 μm左右。这表明，如果检测前没有进行升温运转，机床需要连续测量多次才能获得一个稳定的测量结果。因每次测量时的程序相同，唯一不同的是测量过程中丝杆副运转导致每次测量时的温度各异，直至从第8次开始，丝杆温度才趋于稳定 (30.8℃左右，见表2)，测量结果也就趋于稳定。这说明机床热状态不稳定时，测量结果是不稳定的。为了消除热状态对测量结果的影响，GB/T17421.2第3.3条规定:“连续地趋近任一特定的目标位置时，若偏差成一有序序列，应考虑到热状态尚不稳定，则应通过升温运转使这些趋势减至最低限度”。此次试验在检验前虽然没有进行快速升温运转，但连续多次的检测过程中也能使机床丝杆趋于热稳定状态 (但约需1 h的时间)。

图4 精度检测结果的数据点折线图 (不含第13次测量结果)

半闭环控制系统是通过控制丝杆转角来间接控制工作台移动距离的，而激光干涉仪测量的是工作台移动距离，因此，为了准确评价机床的位置精度，必须确保在整个检测过程中，丝杆转角与工作台移动距离的匹配关系不能发生变化，或者说该匹配关系必须与控制系统的“电子齿轮比”保持一致。实际上，在从机床冷态开始检测时，丝杆的运转会导致其温度逐渐升高而发生热变形，丝杆转角与工作台移动距离间的对应关系会不断发生变化，因此在丝杆温度未达到热稳定状态前所检测的精度是不稳定的，也是不准确的。而闭环控制系统由于用位移传感器直接控制工作台移动距离，丝杆温度稳定性对检测精度的影响就比较小。

从国家标准的规定、控制系统的原理和此次试验的结果看，为了获得稳定的测量结果，必须使机床丝杆副处于热稳定状态，该状态可通过检验前的升温运转或多次的连续测量获得。由于从机床冷态至连续测量获得热稳定状态所花时间较长，从检测效率角度考虑，检验前进行适当的升温运转也许更实际，但升温运转的速度、时间要针对不同的机床反复进行多次试验才能确定，一旦确定，就可作为经验数据，这对机床制造厂尤为必要 (目前业内大多让机床运动部件快速运转3～5个来回就开始检测，严格来说是不够严谨的)。从表2可看到:机床热稳定状态下经10 min连续快速空运转后再检测时，定位精度从27 μm猛升至84 μm，表明过度的升温运转对检测结果造成的影响是很大的;此外，连续快速空运转10 min后，丝杆温度升高了1.9℃，而工作台仅升高了0.4℃，因此，以工作台表面实测温度去判断机床热状态是否稳定也是不可靠的。

3.2 检测元件热膨胀系数的影响

从表2和图4看到:在连续测量10次、定位精度结果趋于稳定情况下，把滚珠丝杠的热膨胀系数从11.7改为10.6 μm/(m·℃)，则定位精度下降约5 μm。GB/T17421.2第3.1条规定:“应该注意，任何与20℃的温差均可对有效膨胀系数下的不确定度产生一个附加不确定度，而有效膨胀系数是供补偿用的，因此在检验报告中应记录实际的温度，供方/制造厂应提供轴线定位系统的有效膨胀系数”。不同的材料有不同的热膨胀系数，鉴于该系数对测量结果的影响，用户或技术机构检测时应索取供方/制造厂提供的有效膨胀系数，不能按经验随意选取。

3.3 测量仪器传感器放置位置的影响

GB/T17421.2第3.1条规定:“最为理想是使测量仪器和被检对象处于20℃的环境下进行检测，如不在20℃下检测，则必须修正轴线定位系统和检测设备间的名义差胀 (NDE)，以获得修正到20℃的检测结果，在这种情况下，需要测量机床定位系统和检测设备的代表性部位的温度”。为了获得准确的NDE修正效果，最理想的是把激光干涉仪的温度传感器放置在丝杆上，但实际检测时不太容易做到。供方/制造厂在产品出厂前一般把传感器放置在最靠近丝杆副的工作台表面进行精度检测并进行调试、精度补偿，因此其他相关方对该机床进行检测时也放在相同的位置最为理想。由于丝杠与工作台不为一体，从表1看到，丝杠发热程度与工作台不同步，丝杆达到热稳定状态时，工作台表面温度与之相差1℃左右，因工作台面积远大于作为“发热体”丝杆的面积，工作台表面的温度是不均匀的，为了获得与供方/制造厂一致的补偿效果，其他相关方检测时最好索取当初调试机床时传感器放置位置的信息。

4 小结

国家标准GB/T17421.2-2000虽然规定了详细的数控轴线的定位精度和重复定位精度的检测方法，但同时也要求检测前须确认很多条件，机床评价方必须予以重视和落实才能获得准确的测量结果。从标准的要求和此次试验结果看，为了准确测量半闭环伺服控制系统数控机床的位置精度，至少应关注如下两个方面:

(1)适当的升温条件比如循环次数、空运转时间、进给速度等，必须在检测前确定好，保证把因机床热状态不稳定对测量结果造成的影响降至最低。如果不能获得合适的升温条件数据，则检验前不能凭经验随意进行升温，最好从冷态开始连续进行多次测量，直至获得稳定的测量结果为止。

(2)目前NDE修正的方法主要采用激光干涉仪的温度传感器配件进行补偿，补偿的效果取决于材料传感器的数量、放置位置以及选定的丝杠有效热膨胀系数。为了获取较好的补偿效果，建议使用两件材料传感器并放置在供方调试机床时的位置进行测量，同时要选择供方提供的热膨胀系数。

［1］王爱玲，白恩远，赵学良，等.现代数控机床［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［2］龚仲华.数控机床故障诊断与维修500例［M］.北京:机械工业出版社，2004.