介紹了以虛擬Y軸控制的車(chē)銑復(fù)合加工中心為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)對(duì)機(jī)床虛擬Y軸垂直度、定位精度、插補(bǔ)精度和圓精度等相關(guān)精度進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，從而提高機(jī)床加工精度的方法。
PART 1序言
目前，我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)能力及消費(fèi)市場(chǎng)規(guī)模已全球領(lǐng)先，但在中高端高精度、多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工機(jī)床市場(chǎng)上，日本、德國(guó)等企業(yè)處于領(lǐng)先位置，成為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)。而隨著國(guó)內(nèi)航空航天、新能源、醫(yī)療器械等行業(yè)的不斷發(fā)展，目前在數(shù)控車(chē)床市場(chǎng)中，對(duì)于中高端車(chē)銑復(fù)合加工中心類(lèi)數(shù)控機(jī)床的需求，特別是對(duì)帶有Y軸的車(chē)削中心需求的客戶(hù)日益增加[1]。
車(chē)銑復(fù)合加工中心Y軸通常有正交Y軸和傾斜Y軸（即虛擬Y軸）兩種結(jié)構(gòu)形式。相較于正交Y軸結(jié)構(gòu)，虛擬Y軸具有高剛性、整體結(jié)構(gòu)小型化等特點(diǎn)，可靈活降低機(jī)床高度，使機(jī)床整體結(jié)構(gòu)更緊湊，同時(shí)通過(guò)Y軸的移動(dòng)可提高機(jī)床的外圓鍵槽銑削能力。具備虛擬Y軸形式的車(chē)銑復(fù)合加工中心可廣泛應(yīng)用于精密復(fù)雜溝槽、非中心鉆孔以及攻螺紋等零部件加工領(lǐng)域。
我單位自主研發(fā)的帶有虛擬Y軸結(jié)構(gòu)的某型號(hào)車(chē)銑復(fù)合加工中心，Y軸床身導(dǎo)軌與水平方向呈40°傾斜，X軸與水平呈70°傾斜。該結(jié)構(gòu)具備較高的剛性?？刂葡到y(tǒng)采用日本FANUC 0i TF PLUS系統(tǒng)（或其他國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)）和AC交流伺服驅(qū)動(dòng)，操作方便，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，可對(duì)加工范圍內(nèi)各類(lèi)零件進(jìn)行各種車(chē)削、鉆削和銑削加工。
為了更好地對(duì)車(chē)銑復(fù)合加工中心虛擬Y軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)功能的調(diào)試、試驗(yàn)、測(cè)試、應(yīng)用以及優(yōu)化補(bǔ)償[2]，從而使機(jī)床最終達(dá)到最佳的實(shí)際加工應(yīng)用效果，此次特進(jìn)行下述試驗(yàn)。
PART 2虛擬Y軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制技術(shù)
調(diào)試首先對(duì)虛擬Y軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制進(jìn)行調(diào)試。機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，該車(chē)床軸構(gòu)成為X＋Y＋Z＋CS（第一主軸）＋Sa（動(dòng)力刀具軸），機(jī)床X軸與水平方向夾角為40°，Y軸平面與X軸平面夾角為30°。
圖1 虛擬Y軸車(chē)銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)
當(dāng)直接使用傾斜Y軸進(jìn)行編程加工時(shí)，假設(shè)需要刀塔在垂直于X軸的虛擬Y軸（以Y′軸代替）方向移動(dòng)距離YL′，其他軸位置保持不變，則實(shí)際編程時(shí)需要同時(shí)移動(dòng)X軸和Y軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，移動(dòng)距離XL、YL分別為：
XL＝Y(jié)L′/tan30° （1）
YL＝Y(jié)L′/sin30° （2）
對(duì)于直接進(jìn)行程序編寫(xiě)，尤其是當(dāng)X軸與Y′軸聯(lián)動(dòng)時(shí)難度較高，因此需要通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的傾斜軸功能調(diào)試，可使X軸和Y軸以正交的方式進(jìn)行編程和控制，降低程序編寫(xiě)難度?？刂茣r(shí)應(yīng)保證Y軸假想軸與X軸垂直且正方向向上，如圖2所示。
圖2 傾斜Y軸控制
使用Y軸作為傾斜軸控制，需要選擇并開(kāi)通“傾斜軸控制”功能，F(xiàn)ANUC 0i TF PLUS數(shù)控系統(tǒng)中，可通過(guò)參數(shù)診斷號(hào)1270#0判斷系統(tǒng)是否開(kāi)通此項(xiàng)功能。
主要參數(shù)設(shè)定：FANUC 0i TF PLUS系統(tǒng)中，主要調(diào)整參數(shù)[3]見(jiàn)表1。
表1 Y軸定位精度對(duì)比
PART 3虛擬Y軸垂直補(bǔ)償
X軸與真實(shí)Y軸之間的夾角為30°，通過(guò)系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算，虛擬Y軸移動(dòng)時(shí)與X軸之間夾角為90°。但是由于在零件加工、裝配過(guò)程中必然存在微小誤差，X軸和Y軸的實(shí)際夾角不一定完全精確為30°，因此需要確定X軸及Y軸之間的實(shí)際夾角，補(bǔ)償至FANUC數(shù)控系統(tǒng)8210參數(shù)中，以確保虛擬Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)與X軸之間的垂直度能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。有兩種方法可以完成：工件試切法和檢具測(cè)量調(diào)試法。
3.1 工件試切法
通過(guò)在機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行實(shí)際試切加工，分別沿X軸、真實(shí)Y軸方向進(jìn)行銑削加工，確定X軸、真實(shí)Y軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x器，對(duì)軌跡之間夾角進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)際測(cè)量值補(bǔ)償至傾斜軸角度8210參數(shù)中，如圖3所示。
圖3 X軸-Y軸角度測(cè)試補(bǔ)償
3.2 檢具測(cè)量調(diào)試法
為簡(jiǎn)化測(cè)試調(diào)試流程，此次設(shè)計(jì)了虛擬Y軸垂直度專(zhuān)用檢測(cè)檢具，如圖4所示，用檢具代替實(shí)際切削進(jìn)行垂直度調(diào)整。
圖4 X軸-Y′軸垂直度測(cè)量檢具
檢具自身兩相鄰邊互相垂直（＜0.003/200）。檢測(cè)時(shí)，將主軸切換至C軸模式，調(diào)整C軸角度，沿X方向移動(dòng)刀塔，通過(guò)千分表檢測(cè)讀數(shù)，使檢具X向直角邊與X軸運(yùn)動(dòng)平行，再保持C軸位置不動(dòng)，沿虛擬Y軸Y′方向移動(dòng)刀塔，讀取千分表在檢具Y′方向上的兩端差值a，通過(guò)計(jì)算得出理論角度偏差值θ′，并將此偏差值疊加補(bǔ)償至參數(shù)8210中。
θ′＝arctan（a/L） （3）
式中，L為檢具直角邊測(cè)量長(zhǎng)度（mm）。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，通過(guò)該檢具可快速完成虛擬Y軸與X軸的垂直度調(diào)整。
PART 4虛擬Y軸定位精度測(cè)試補(bǔ)償技術(shù)
虛擬Y軸定位精度測(cè)試補(bǔ)償技術(shù)因?yàn)榫哂刑摂MY軸結(jié)構(gòu)的機(jī)床在實(shí)際加工應(yīng)用中，Y軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)為復(fù)合插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，因此需要對(duì)虛擬Y軸的定位精度進(jìn)行測(cè)試、補(bǔ)償。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中，螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償?shù)葏?shù)，對(duì)應(yīng)的均為真實(shí)X軸、真實(shí)Y軸。而實(shí)際測(cè)試補(bǔ)償對(duì)象為虛擬Y軸，對(duì)于兩者的不統(tǒng)一，可以采取兩種方法解決：一是測(cè)試并補(bǔ)償真實(shí)Y軸，靠X軸、真實(shí)Y軸的精度間接保證虛擬Y軸的聯(lián)動(dòng)精度；二是測(cè)試虛擬Y軸，按計(jì)算數(shù)據(jù)補(bǔ)償至真實(shí)Y軸。以下為兩種補(bǔ)償方式的效果對(duì)比。
4.1 測(cè)試并補(bǔ)償真實(shí)Y軸，間接保證虛擬Y軸
實(shí)際對(duì)真實(shí)X軸、真實(shí)Y軸進(jìn)行定位精度測(cè)試并進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償，然后再測(cè)試虛擬Y軸，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。采用RENISHAW XL80激光干涉儀，對(duì)機(jī)床Y軸定位精度進(jìn)行測(cè)試。
圖5 測(cè)試并補(bǔ)償真實(shí)Y軸后虛擬Y軸的定位精度
4.2 測(cè)試虛擬Y軸，按計(jì)算補(bǔ)償至真實(shí)Y軸
補(bǔ)償后虛擬Y軸定位精度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。
圖6 測(cè)試虛擬Y軸后折算補(bǔ)償至真實(shí)Y軸虛擬Y軸定位精度
4.3 兩種補(bǔ)償方式效果對(duì)比
兩種補(bǔ)償方式效果對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 Y軸定位精度對(duì)比
由測(cè)試結(jié)果可得出結(jié)論，通過(guò)測(cè)試虛擬Y軸，以及比例計(jì)算后補(bǔ)償真實(shí)Y軸，比直接測(cè)試、補(bǔ)償真實(shí)Y軸的螺距誤差小，精度有明顯提升。
PART 5伺服優(yōu)化測(cè)試通過(guò)FANUC SERVO GUIDE軟件，對(duì)包括虛擬Y軸在內(nèi)的進(jìn)給軸進(jìn)行伺服優(yōu)化測(cè)試調(diào)整，主要包括：各軸快移時(shí)間常數(shù)的調(diào)整、標(biāo)準(zhǔn)圓弧測(cè)試（X-Z平面）、對(duì)傾斜軸的圓弧測(cè)試（X-Y平面）、方形測(cè)試、方形帶1/4圓弧測(cè)試、Cs輪廓控制測(cè)試、振動(dòng)頻率測(cè)試及伺服頻率響應(yīng)測(cè)試等，如圖7～圖9所示。
a）快移時(shí)間常數(shù)的調(diào)整 b）圓弧測(cè)試
圖7 快移時(shí)間常數(shù)的調(diào)整、圓弧測(cè)試
a）方形測(cè)試 b）方形帶1/4圓弧測(cè)試
圖8 方形測(cè)試、方形帶1/4圓弧測(cè)試
a）Cs輪廓控制測(cè)試 b）伺服頻率響應(yīng)測(cè)試
圖9 Cs輪廓控制測(cè)試、伺服頻率響應(yīng)測(cè)試
主要從速度和位置增益、插補(bǔ)后時(shí)間常數(shù)、圓弧半徑減速、拐角減速允許速度差、切削進(jìn)給時(shí)間常數(shù)和速度前饋等幾個(gè)方面著手進(jìn)行調(diào)整。
通過(guò)反向間隙（Backlash）、反向越?jīng)_（Reversalpeaks）、周期誤差（Cyclic Error）、比例不匹配和伺服不匹配[4]等方面，對(duì)FANUC系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提升機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。參數(shù)包括：No.1622（各軸切削進(jìn)給的插補(bǔ)后加減速時(shí)間常數(shù)）、No.1769（插補(bǔ)后加減速時(shí)間常數(shù)）、No.2005#1（前饋有效）、No.2092（先行前饋系數(shù)）及No.1825（位置環(huán)增益）等[5]。
PART 6實(shí)際加工應(yīng)用測(cè)試
為驗(yàn)證Y軸精度調(diào)試效果，在調(diào)整前后，對(duì)NAS試件進(jìn)行試切（見(jiàn)圖10），進(jìn)行加工精度對(duì)比和表面質(zhì)量對(duì)比。
圖10 NAS試件加工
6.1 加工精度對(duì)比測(cè)試
加工精度對(duì)比見(jiàn)表3。
表3 NAS試件精度對(duì)比
從試驗(yàn)結(jié)果可得出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后加工精度有明顯提升。
6.2 加工表面質(zhì)量對(duì)比測(cè)試
伺服優(yōu)化前后，對(duì)虛擬Y軸銑削加工表面質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表4。
表4 虛擬Y軸加工表面質(zhì)量對(duì)比
伺服優(yōu)化前，加工表面有較明顯切削振紋，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，表面振紋得到明顯改善。優(yōu)化調(diào)整前，表面粗糙度值Ra＝1.3μm，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后表面粗糙度值Ra降為0.7μm。由上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得出，經(jīng)過(guò)伺服優(yōu)化測(cè)試調(diào)整，切削零件相關(guān)精度和表面質(zhì)量得到顯著改善和提升。
PART 7結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了帶虛擬Y軸的車(chē)削中心結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行X-Y平面垂直度測(cè)試及補(bǔ)償，虛擬Y軸定位精度測(cè)試及補(bǔ)償，相關(guān)伺服優(yōu)化調(diào)整，實(shí)際切削NAS工件對(duì)比等，得出如下主要結(jié)論。
1）通過(guò)兩種方法測(cè)試X軸和真實(shí)Y軸之間的實(shí)際夾角，或通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，都可保證X軸和虛擬Y軸之間的垂直度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。
2）通過(guò)對(duì)兩種虛擬Y軸定位精度的螺距誤差補(bǔ)償方法實(shí)際的應(yīng)用對(duì)比，證明通過(guò)直接測(cè)試虛擬Y軸定位精度，經(jīng)過(guò)比例計(jì)算后補(bǔ)償真實(shí)Y軸的螺距誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)，優(yōu)于測(cè)試真實(shí)Y軸定位精度并進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償，間接保證虛擬Y軸定位精度，效果有明顯提升。
3）通過(guò)FANUC系統(tǒng)SERVO GUIDE軟件，對(duì)機(jī)床系統(tǒng)相關(guān)伺服參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可顯著提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)精度，機(jī)床加工試件的插補(bǔ)銑圓圓度精度、Y軸插補(bǔ)直線度和零件拐角處輪廓度誤差等精度也可明顯提升。
4）經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化前、后加工NAS試件精度的對(duì)比，加工精度和加工表面質(zhì)量都得到明顯提升?？梢缘贸鼋Y(jié)論：經(jīng)過(guò)相關(guān)優(yōu)化、補(bǔ)償調(diào)整后的虛擬Y軸，可達(dá)到比較滿(mǎn)意的實(shí)際應(yīng)用效果。
