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專家分析|數控機床精度檢測項目及常用工具
閱讀：2277 發(fā)布時間：2015-5-251.1 為什么數控機床一定要進行校準
對每個工廠來講，購買數控機床都是一筆相當可觀的投資。為使工廠成百萬乃至上千萬之投資的設備在生產中真正發(fā)揮中堅作用，保證加工出合格的零件，盡快回收成本是至關重要的。
經驗表明，80%以上的機床在安裝時必須在現(xiàn)場調試后才能符合其技術指標。因此在新機床驗收時，要進行檢定，使機床一開始安裝就能保證達到其技術指標及預期的質量和效率。
另外經驗也表明，80%已投入生產使用的機床在使用一段時間后，處在非正常超性能工作狀態(tài)，甚至超出其潛在承受能力。
因此，通常新機床在使用半年后需再次進行檢定，之后可每年檢定一次。定期檢測機床誤差并及時校正螺距、反向間隙等可切實改善生產使用中的機床精度，改善零件加工質量，并合理進行生產調度和機床加工任務分配，不至于產生廢品，大大提高機床利用率。總之，及時揭示機床問題會避免導致機床精度損失及破壞性地使用機床。
隨著數控技術的進一步推廣應用，越來越多的數控機床利用自身帶有的測頭系統(tǒng)來進行工件尺寸檢測、刀具尺寸檢測及進行仿形數字化。要知道上述功能的實現(xiàn)，與機床自身的精度密切相關，若機床精度不作定期校準，則談不上準確地完成上述工作。
1.2 數控機床常見檢測標準
ISO230(標準)、VDI3441(德國工程師協(xié)會標準)、NMTBA(美國機床協(xié)會標準)、JISB6330(日本國家標準)、ASMEB5.55(美國機械工程師協(xié)會標準)、GB10931(中國國家標準)。
雷尼紹ML10激光干涉儀線性位移測量軟件可提供按下述標準進行的數據分析：
a.BS4656英國三測機標準；
b.BS3800英國機床標準；
c.ISO230-2標準；
d.VDI/DGQ3441德國工程師學會機床標準；
e.VDI2617德國工程師學會三測機標準；
f.NMTBA美國機床協(xié)會標準；
g.GB10931-89中國國家標準；
h.ASMEB89.1.12M美國機械工程師學會標準；
i.ASMEB5.54美國機械工程師學會標準；
j.E60-099法國標準；
k.JISB2330日本國家標準。
上述標準的進一步介紹，請參見公開發(fā)表的有關標準文本。
2 數控機床常見精度要求及傳統(tǒng)檢測方法
歸納起來，數控機床的精度要求有如下幾個方面：
2.1 幾何精度：
項目：幾何精度包括直線度、垂直度、俯仰與扭擺、平面度、平行度等；
工具：傳統(tǒng)方法采用大理石或金屬平尺、角規(guī)、百分表、水平儀、準直儀等；
特點：傳統(tǒng)采用人工操作，手工記錄數據與計算，精度低，多用于小型機床。
2.2 位置精度：
項目：數控機床位置精度包括定位精度、重復定位精度、微量位移精度、反向間隙等；
工具：傳統(tǒng)方法采用金屬線紋尺或步距規(guī)、電子測微計、準直儀等；
特點：當機床規(guī)格稍大一點時，傳統(tǒng)方法其相應的標準器件很重，且精度太低，受環(huán)境溫度的影響大，其檢驗方法極冗長乏味，且檢驗重復性也很差，難以反映受檢機床的真正精度。數控處理必須手工進行，繁瑣、易出錯。
2.3 工作精度：
項目：美國NAS(國家宇航標準)979在20年前就制訂了標準化的“圓形—菱形—方形”試驗(現(xiàn)在是CMTBA的標志)。
工具：準備鑄鐵或鋁合金試件、銑刀及編制數控切削程序，高精度圓度儀及高精度三坐標測量機做試件精度檢驗。
特點：該方法需要仔細定義試件的切削方法和測量切削結果；可能要花幾天時間，這依賴于計量室的條件。
然而即使是這種測試也無法評估機床的所有性能，“圓形—菱形—方形”試驗的大多數切削運動是在X-Y平面上進行的，因此沿X-Z和Y-Z平面上的精度大部分沒有測定。
3 英國雷尼紹公司*技術
英國雷尼紹公司是專門從事設計、制造高精度檢測儀器與設備的世界性跨國公司。主要產品為三坐標測量機及數控機床用測頭、激光干涉儀、球桿儀等，為機械制造工業(yè)提供了序前(激光干涉儀和球桿儀)、序中(數控機床用工件測頭及對刀測頭)和序后(三測機用測頭及配置)檢測的成系列質量保證手段。它的全部技術與產品都旨在保證數控機床精度，改善數控機床性能，提高數控機床效率，可保證和改善數控機床制造廠即工作母機的加工精度與質量，擴大制成品的市場。
3.1ML10激光干涉儀
*，激光的波長是極其穩(wěn)定的，因此在標準中激光干涉儀是**的進行數控機床精度檢定的儀器。它可以測量各種幾何尺寸的機床，甚至長達幾十米的機床并診斷和測量各種幾何誤差。其精度比傳統(tǒng)技術至少高十倍以上。激光干涉儀可進行自動數據采集。既節(jié)省時間又避免操作者誤差，它以PC機為基礎，避免了人工計算，可以立即按標準和我國國標進行統(tǒng)計分析。
雷尼紹ML10激光干涉儀為機床檢定提供了一種高精度儀器，它精度高，達到±1.1PPM(在0～40℃下)，測量范圍大(線性測長40m，位選80m)。測量速度快(60m/min)，分辨率高(0.001μm)，便攜性好。由于雷尼紹激光干涉儀具備自動線性誤差補償能力，可方便恢復機床精度，更受到用戶歡迎。
為使大家進一步了解ML10激光干涉儀在檢測數控機床精度方面所具有的*優(yōu)點，下面將著重介紹ML10激光干涉儀在精度檢測中的應用。
(1)幾何精度檢測：
項目：幾何精度包括直線度、垂直度、俯仰與扭擺、平面度、平行度等；
工具：ML10激光干涉儀、直線度光學鏡、垂直度光學鏡、平面度光學鏡、角度鏡組件等；
特點：可采用自動數據采集及分析，精度高，測量范圍大。特別是雷尼紹直線度光學鏡具有其*的設計，大大改善了調光的復雜程度。
(2)位置精度的檢測及其自動補償：
項目：數控機床位置精度包括定位精度、重復定位精度、微量位移精度等；
工具：ML10激光干涉儀、線性光學鏡等；
特點：利用雷尼紹ML10激光干涉儀不僅能自動測量機器的誤差，而且還能通過RS232接口，自動對其線性誤差進行補償，上述過程是自動進行的，比通常的補償方法節(jié)省了大量時間，并且避免了手工計算和手動數據鍵入而引起的操作者誤差，同時可zui大限度地選用被測軸上的補償點數，使機床達到*精度，另外操作者無需具有機床參數及補償方法的知識。
目前，可供選擇的補償軟件有Fanuc,Siemens 800系列，NUM,Mazak, Mitsubishi, Cincinnati Acramatic, Heidenhain, Bosch,Allen-Bradley。
(3)數控轉臺分度精度的檢測及其自動補償：
項目：數控轉臺分度精度包括分度定位精度、重復分度定位精度等；
工具：ML10激光干涉儀、角度光學鏡、RX10轉臺基準等；
特點：現(xiàn)在，利用ML10激光干涉儀加上RX10轉臺基準還能進行回轉軸的自動測量。它可對任意角度位置，以任意角度間隔進行全自動測量，其精度達±1弧秒。新的標準已推薦使用該項新技術。它比傳統(tǒng)用自準直儀和多面體的方法不僅節(jié)約了大量的測量時間，而且還得到完整的回轉軸精度曲線，知曉其精度的每一細節(jié)，并給出按相關標準處理的統(tǒng)計結果。
(4)雙軸定位精度的檢測及其自動補償：
項目：雙軸定位精度指大型龍門移動式數控機床，由雙伺服驅動某一軸向運動的定位精度；
工具：由一臺PC同步控制兩套ML10激光干涉儀及線性光學鏡；
特點：雷尼紹雙激光干涉儀系統(tǒng)可同步測量該類機床的定位精度，而且還能通過RS232接口，自動對兩軸線性誤差分別進行補償。
(5)數控機床動態(tài)性能檢測：
項目：動態(tài)性能評定等；
工具：ML10激光干涉儀、線性光學鏡等；
特點：利用RENISHAW動態(tài)特性測量與評估軟件，可用激光干涉儀進行機床振動測試與分析(FFT)，滾珠絲杠的動態(tài)特性分析，伺服驅動系統(tǒng)的響應特性分析，導軌的動態(tài)特性(低速爬行)分析等。
3.2QC10球桿儀
在數控機床精度檢測中，QC10球桿儀和ML10激光干涉儀是兩種互為相輔的儀器，缺一不可。ML10激光干涉儀著重檢測機床的各項精度；而QC10球桿儀主要用來確定機床失去精度的原因及診斷機床的故障。但與ML10激光干涉儀相比，QC10球桿儀目前還沒有被廣大用戶所了解。為此以下將著重介紹QC10球桿儀原理、功能及在檢測中的應用。
(1)什么是球桿儀?
雷尼紹QC10球桿儀是用于數控機床兩軸聯(lián)動精度快速檢測與機床故障分析的一種工具。它由一安裝在可伸縮的纖維桿內的高精度位移傳感器構成，該傳感器包括兩個線圈和一個可移動的內桿，其工作原理類同于使用LVDT技術的位移傳感器。當其長度變化時，內桿移入線圈，感應系數發(fā)生變化，檢測電路將電感信號轉變成分辨率為0.1μm位移信號，通過接口傳入PC機。其精度經激光干涉儀檢測達±0.5μm(20℃)。
當機床按預定編寫的程序以球桿儀長度為半徑走圓時，QC10傳感器檢測到機床運動時半徑方向的變化，雷尼紹QC10分析軟件可迅速將機床的直線度、垂直度、重復性、反向間隙、各軸的比例匹配如否及伺服性能等從半徑的變化中分離出來。
(2)為什么要用球桿儀?
您在數控機床車間可能經常碰見如下問題，
★檢驗失?。?/span>
★出現(xiàn)廢品；
★浪費時間；
★生產效率降低；
★出現(xiàn)質量危機。
在出現(xiàn)上述問題時，一般則先檢測加工刀具、圖紙、程序、檢驗儀器出錯及操作者誤操作等，但卻不知應該先排除您的機床是否有故障，數控機床加工精度在很大度上取決于機器自身性能好壞，機床故障不可避免地帶來檢驗失敗、出現(xiàn)廢品及難以預計的停機時間。
上述問題在質量控制及檢驗過程中可以從已加工過的零件上經常發(fā)現(xiàn)，但想避免出現(xiàn)廢品及停機所帶來的損失已為時過晚。因此，在零件加工之前檢測機床性能好壞是zui基本方針。
(3)主要功能為：
a.機床精度等級的快速標定
即在不同進給率條件下用球桿儀檢測機床，這樣使用者就可采用滿足加工件精度要求的機床進給率進行加工，從而避免了廢品的產生。
b.機床故障及問題的快速診斷與分析
球桿儀可以快速找出并分析機床問題所在，主要可檢查反向差，絲桿背隙差，伺服增益不匹配，垂直度誤差，絲桿周期誤差等性能，比如機床撞車事故后，可用球桿儀檢測并快速告訴操作者機床精度狀況及是否可繼續(xù)使用。在ISO標準中已規(guī)定了用球桿儀檢測機床精度的方法。
c.方便機床的保養(yǎng)與維護
球桿儀可以告訴用戶機床精度變化情況，這樣可提醒維修工程師注意機床的問題，進行預防性維護，不致釀成大故障。另外，維修工程師可根據計算機顯示的圖形，立即分析機床問題原因，快速找到機床故障所在，然后集中精力去解決機床問題與故障。
d.縮短新機床開發(fā)研制周期
用球桿儀檢測可分析出機床潤滑系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、軸承副等的選用對機床精度性能的影響。這樣可根據測試情況更改原設計，因而縮短了新機床研制周期。
e.方便機床驗收試驗
對機床制造廠來說，可用球桿儀快速進行機床出廠檢驗，檢查其精度是否達到設計要求。球桿儀現(xiàn)已被機床檢驗標準所推薦采用，如ISO230，ANSI B5.54，對機床用戶廠來說，可用球桿儀來進行機床驗收試驗，以取代NAS試件切削，或在用球桿儀檢測好機床后再切試件即可。
(4)工作精度檢測：
項目：兩軸聯(lián)動誤差評定等；該項檢驗的目的是取代工作精度檢驗；
工具：QC10球桿儀；
特點：QC10球桿儀是一種快速(10～15min)、方便、經濟地檢測數控機床兩軸聯(lián)動性能的儀器，可用于取代工作精度的NAS試件切削。