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沒有任何機(jī)床設(shè)備是完美的，因?yàn)樗�有的軸會(huì)以不同的方式存在著誤差：比較典型的有主軸導(dǎo)程誤差、長(zhǎng)軸垂度誤差和高機(jī)身傾斜等問(wèn)題。此類誤差均可以通過(guò)現(xiàn)代化設(shè)備控制系統(tǒng)的相應(yīng)功能得到糾正。但是，每個(gè)軸的補(bǔ)償通常都是單獨(dú)進(jìn)行。其他有些常見的誤差(如軸間角度小偏差和輕微偏轉(zhuǎn))在此尚未被顧及到。對(duì)這些誤差往往通過(guò)NC程序加以消除。但是缺點(diǎn)是，此類程序無(wú)法直接用于其他設(shè)備上，他必須要進(jìn)行重新匹配。

圖1 ?在Fanuc 30i和31i-A5型CNC系列加工中心上集成了3D誤差補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備外形誤差的糾偏

誤差補(bǔ)償功能集成在控制系統(tǒng)里

采用集成在Fanuc 30i和31i-A5系列CNC上的3D誤差補(bǔ)償功能(圖1)，可以對(duì)此類軸誤差進(jìn)行立體補(bǔ)償。其前提條件便是對(duì)設(shè)備和所有軸進(jìn)行精確的空間測(cè)量。這個(gè)過(guò)程在以往比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此人們大多望而卻步。但是，據(jù)這種現(xiàn)代化銑鏜床設(shè)備制造廠家介紹，由于找到了一種新的方法，因此這種空間測(cè)量變得簡(jiǎn)單得多。

其高速CNC設(shè)備以性能可靠、使用壽命長(zhǎng)和精度高等特點(diǎn)而見長(zhǎng)。用數(shù)字表示則是：主軸方向定位精度為0.006?mm，可重復(fù)精度為±0.002?mm。切削機(jī)床的有效軸長(zhǎng)為500?mm、400?mm和330?mm，結(jié)構(gòu)非常緊湊。這種CNC設(shè)備可以被用于對(duì)載重車部件、電氣部件、鐘表和首飾工業(yè)以及醫(yī)療工業(yè)設(shè)備的加工。

圖2 ?這種激光干涉儀可以測(cè)定行走軸的剩余外形誤差

為了進(jìn)一步優(yōu)化銑鏜床的精度，制造廠家在其Fanuc控制系統(tǒng)中使用了3D誤差補(bǔ)償功能。為了測(cè)定行走軸剩余外形誤差，廠家使用了Etalon校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Laser tracer激光測(cè)量?jī)x和軟件組成，軟件可以從測(cè)量數(shù)據(jù)中直接計(jì)算出軸偏差并可給出校準(zhǔn)數(shù)值(圖2)。由此可以達(dá)到很高的測(cè)量精度：由于只采用長(zhǎng)度差異，因此可以避免角度測(cè)量或采用其他輔助手段時(shí)的不確定性。儀器內(nèi)部已獲專利的原理可以消除車削軸的機(jī)械誤差。

為了測(cè)定軸偏差，激光干涉儀被置于機(jī)床設(shè)備里(圖3)。激光儀可以通用型旋臂盤在設(shè)備的狹小空間里進(jìn)行精確定位。設(shè)備里還安設(shè)了溫度傳感器，以負(fù)責(zé)對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行糾偏。在機(jī)床設(shè)備之外，還使用了空氣壓力和濕度傳感器;在主軸上設(shè)有反射器。

主要的工作在于對(duì)測(cè)量任務(wù)的規(guī)劃。Trac-Cal軟件里確定了設(shè)備測(cè)量路徑，銑鏜床的測(cè)量路徑擁有998個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)之間的間距為40?mm。針對(duì)所需的設(shè)備誤差模型，設(shè)計(jì)了四個(gè)不同測(cè)量路徑的位置。在測(cè)量配置的參數(shù)誤差方面，Monte-Carlo模擬得出了最大為1?μm和1?μrad的不確定性。

連同改裝作業(yè)在內(nèi)的整個(gè)糾偏過(guò)程耗時(shí)90?min

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)銑鏜床的控制，測(cè)量技術(shù)人員以G代碼格式編寫了四種設(shè)備程序并把程序復(fù)制到控制系統(tǒng)里。現(xiàn)有的補(bǔ)償功能被關(guān)斷，而四個(gè)程序則依次啟動(dòng)。在測(cè)量過(guò)程中，設(shè)備的特定可重復(fù)性達(dá)到<2?μm。程序工作流程至少持續(xù)7?min。包含加裝和換裝在內(nèi)的整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程需要90?min。

考慮到在校準(zhǔn)時(shí)的軸的尺寸膨脹因素，技術(shù)人員使用了Etalon溫度測(cè)量系統(tǒng)。在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中，測(cè)溫系統(tǒng)可提供有關(guān)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度的詳情。各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的三個(gè)傳感器可以對(duì)溫度狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信傳送給基站。一臺(tái)求值計(jì)算機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的校準(zhǔn)值。求值結(jié)果表明，各個(gè)溫度值水平雖然相對(duì)穩(wěn)定，但是每個(gè)軸的溫度值各不相同。

圖3 ?為了測(cè)定軸的偏差，激光干涉儀取代工件而進(jìn)入到機(jī)床設(shè)備里。在主軸上設(shè)置反射器，而非刀具

從測(cè)量中可以計(jì)算出較低的誤差模型水平，因?yàn)閷?duì)于此類機(jī)器設(shè)備來(lái)說(shuō)，最后一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)偏差并不重要。由此可以測(cè)定出各軸之間的定位偏差、直線度、直角度和部分俯仰角、偏角和滾動(dòng)狀況。然后，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被復(fù)制到CNC系統(tǒng)里并啟動(dòng)補(bǔ)償功能。

為了證明計(jì)算機(jī)對(duì)空間精度誤差補(bǔ)償糾偏的有效性，可對(duì)機(jī)床設(shè)備再次進(jìn)行測(cè)量。對(duì)具備補(bǔ)償功能和無(wú)補(bǔ)償功能的剩余偏差的對(duì)比結(jié)果表明，所有參數(shù)偏差狀況得到了明顯的改善。誤差量平均下降77%，這相當(dāng)于精度提高了四倍。在后續(xù)采用Trac-Check軟件所單獨(dú)進(jìn)行的ISO230-2和-6檢測(cè)過(guò)程證實(shí)了這種精度的提高。

誤差補(bǔ)償取決于于設(shè)備的能力

誤差補(bǔ)償結(jié)果當(dāng)然取決于測(cè)量和設(shè)備的機(jī)械性能。隨著人們對(duì)精度要求的日益提高，對(duì)于重視產(chǎn)品精度的機(jī)床設(shè)備制造廠商來(lái)說(shuō)，3D誤差補(bǔ)償是一種投入少、見效快的技術(shù)途徑。最終用戶也可從中受益：因?yàn)槊颗_(tái)帶有Fanuc 30i和31i-A5系列CNC系統(tǒng)的三軸至五軸機(jī)床設(shè)備均可接受后續(xù)測(cè)量并通過(guò)3D誤差補(bǔ)償功能進(jìn)行改進(jìn)。