球杆仪在我厂机床制造中的应用.docx
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球杆仪在我厂机床制造中的应用
雷尼绍球杆仪对数控机床精度校准诊断
上的应用
一.目前存在的主要问题
随着我厂数控机床的挡次,产量不断提高.如何解决机床在装配中出现的反向间隙,反向越冲,伺服不匹配,垂直度,爬行等精度超差,查找问题困难等重多因素,特别是几何误差和由控制器¸伺服驱动系统带来的精度不准的问题,对机床的整体精度影响很大.如何提高装配水平装配速度.对数控机床精度进行快速的检测,诊断机床在装配中出现的质量问题.是我们每个检验人员所面临的一个问题.面对不断发展的数控机床,要求我们的检测手段也要不断的提高,对此我们提出用雷尼绍公司QC10球杆仪测量系统来解决机床校准这个难题.
二.球杆仪的工作原理
1.球杆仪的工作过程:
雷尼绍球杆仪及软件是用于测量数控机床中所表现出的几何误差和检测出由控制器和伺服驱动系统带来的精度不准的问题。
通过让机床运行一段园弧或整圆周来完成“执行球杆仪测试”以测得误差,由一传感器测得前述运动中半径的微小偏移量,由软件将其采集下来。
然后,将合成的数据显示在屏幕上或绘制在打印机或绘图机上,从而揭示出机器执行该项测试的表现如何。
如果机器没有任何误差,绘制出的数据将显示出一个真圆。
出现任何误差都将使该园变形,例如,沿圆周添加峰值可能使其更加椭圆。
从真圆偏离出的数据揭示出数控系统、驱动伺服及机器各轴的问题和不准确。
2.球杆仪工作示意图:
3.数据采集
数据采集弧是在球杆仪传感器的端部运行园弧过程中软件采集数据并保持传感器输出的一段园弧,该段园弧一般处于两段角度越程弧之间。
你可以决定数据采集弧的度数大小,数据采集弧范围从0º到360º。
例如在一3轴的数控机床上,校准ZX平面或Y平面时采用180º比较适宜,而在校准XY平面是则采用360º园弧比较适宜。
在编制数控机床程序来执行数据采集弧时有如下四项重要注意事项:
∙如果数据采集弧小于360º,则不能进行图形诊断;
∙机器在运行球杆仪数据采集弧时球杆仪端部的进给率必须恒定;
∙机器在运行角度越程时的进给率必须与数据采集弧相同;
∙在数据采集弧与角度越程弧转换的瞬间机器必须保持连续运动,不得有停顿。
360º数据采集弧
在完整圆周上进行动态数据采集时球杆仪传感器端部运动轨迹应符合下面所示的图示:
注意进给切入的开始点与进给切出的结束点在同一点,每一角度越程弧必须为180º,一般在球杆仪传感器运动整园时使用的采集弧为360º,运行中不应碰到障碍物
180º数据采集弧
在进行180º动态数据采集时球杆仪传感器端部运动轨迹应符合下面所示的图示:
由于受到机器工作台的限制,数据采集弧大约为180º。
由于中心支座离工作台面有一定高度使得球杆仪数据采集弧的中心有一定的升高,从而可有5º的越程弧。
注意此处球杆仪端部进行进给切入的开始点与完成运动后的进给切出点不是同一点,因此在测试程序中你应加入适当的指令让球杆仪传感器以数据采集弧相反的方向返回到开始点。
特别重要的是球杆仪应通过园弧运动返回起始点,如果机器以最短(直接)路径返回到起始点,它将压缩并可能损坏传感器和/或其球联结件。
由于软件已完成数据采集,如果需要的话可以较高的进给率返回到原起始点。
软件和数据采集
上图所示是球杆仪传感器进行具有180º越程弧典型的360º测试时球杆仪传感器输出的变化情况。
∙在A点软件检测到进给切入;
∙在B点软件检测到进给切出;
∙然后软件计算实际进给率并绘制相应数据图;
∙如果计算的进给率与预期进给率的差异超过10%,将显示一警告信息。
如果符合下述条件,本运算法则非常有效:
∙加速与减速的速率相近,并且
∙传感器的读数超出+750 μm阈限的唯一位置是在进给切入和进给切出点。
三.球杆仪的主要功能
球杆仪的分折软件是按照国际标准化组织ISO230或美国国家标准B5.54对所检测机床进行分折的.上图是该软件的分折界面,根椐需要而选取相应的标准进行分折.它有一个诊断软件和四个标准.
*雷尼绍球杆仪诊断软件,它能以数值,百分比和结果表等方式给出分析结果。
*ISO230-4标准,给出的选项为逆时针圆度偏差,顺时针圆度偏差,逆时针半径偏差,顺时针半径偏差,和滞后。
*ASMEB5.54标准给出最大和最小偏差值。
*ASMEB5.57标准给出圆度和半径偏差值。
*JISB6194标准给出园度偏差.
雷尼绍球杆仪诊断软件
数值采集:
它提供一个采集数据的极坐标图形,并且还有误差诊断图形以及这些误差的大小等级。
这些误差以数值形式被列出,从而诊断出各项误差的来源,并指出它们在整个圆度误差中的比重。
这些误差的排列顺序是固定的,以便于图形比较。
百分比屏幕:
提供一个采集数据的极坐标图形,并且还有误差诊断图形以及这些误差的大小。
这些误差以百分比形式被列出。
从而诊断出各项误差的来源,并指出它们在整个圆度误差中的比重。
这些误差是按照百分比的顺序排列的,最大的在第一个。
表格屏幕:
提供一个根据采集的数据计算出所有误差的表格。
四.球杆仪在数控机床精度误差诊断上的应用
球杆仪对于每一所示图形都能进行诊断,快速查询的过程是:
∙图形
∙诊断值
∙可能起因
∙对加工带来的影响
∙推荐对策
下面是球杆仪在检测中对部分误差的分折:
a反向间隙-负值(机器误差)
图形
图形中有沿某轴线开始向图形中心内凹的台阶,负值反向间隙的大小通常不受机器进给率的影响。
在本图中仅在Y轴上显示有负值反向间隙。
诊断值
各种类型的反向间隙按反向间隙-正值所述同一方法进行了量化。
然而,负值反向间隙可根据计算出的负值轻易区分出来。
例如:
台阶大小(μm)
X
-0.6
-0.5
Y
-14.2
-14.2
在本例中如图所示,Y轴正负方向均存在相同大小,为-14.2μm的负值反向间隙或失动量。
可能起因
在机器的导轨中可能存在间隙,导致当机器在被驱动换向时出现在运动中跳跃。
用于弥补原有反向间隙而对机器进行的反向间隙补偿的数值过大,导致原来具有正值反向间隙问题的机器出现负值反向间隙。
机器可能受到编码器滞后现象的影响。
对加工带来的影响
在机器上负值反向间隙的影响为园弧插补的刀具轨迹将出现一向内凹的跳跃。
推荐对策
检查数控系统反向间隙补偿参数设置是否正确;
检查机器是否受到编码器滞后现象的影响;
去除机器导轨的间隙,可能需要更换已磨损的机器部件。
b反向间隙-正值(机器误差)
图形
图形中有沿某轴线开始有一个沿图形中心外凸的台阶或数个台阶,反向间隙的大小通常不受机器进给率的影响。
在本图中仅在Y轴上显示有正值反向间隙。
诊断值
X轴及Y轴的反向间隙按下述格式进行量化:
反向间隙(μm)
X
+0.6
+0.5
Y
+14.2
+14.2
在本例中如图所示,Y轴正负轴双方向均存在相同大小为-14.2μm的正值反向间隙或失动量。
同各种其它类型的反向间隙相对应,正值反向间隙给出量化结果为正值。
可能起因
在机器的驱动系统中中可能存在间隙,典型的原因是因滚珠丝杠端部浮动或驱动螺母磨损。
在机器的导轨中可能存在间隙,导致当机器在被驱动换向时出现运动的停顿。
可能由于滚珠丝杠予紧力过大带来的过度应力而引起丝杆扭转的影响,进一步信息参见
对加工带来的影响
在机器上正值反向间隙的影响为园弧插补的刀具轨迹将出现一短平台。
图中所示为在接近Y轴前后机器如何从开始以近乎理想圆运行,然后由于机器停顿而偏离理想园。
由于机器表现出向理想园外运动,图形刻度调整将实际切削零件上的平台转换成在诊断图形中的反向间隙。
如果e是诊断图形上反向间隙的高度,则在切削的零件上的平台长度可以根据将e乘以被切零件直径再取其积的平方根来得到。
例如,在实际切削300mm直径的工件时,一个10μm大小的反向间隙的将带来1.7mm的平台。
推荐对策
去除机器导轨的间隙,可能需要更换已磨损的机器部件。
另外,也可利用数控系统反向间隙补偿参数设置来对机器中存在的反向间隙进行补偿。
c.比例误差(不匹配)(机器误差)
图形
图形具有椭圆或花生形,沿0度或90度轴方向拉伸变形。
拉伸变形不受数据采集方向的影响,即分别在进行顺时针或逆时针测试时拉伸变形轴向不会发生改变,由拉伸变形造成的拉伸变形量大小通常不受机器进给率影响。
比例误差是指在测试中被测量轴间的行程差,例如,机器在XY平面内运行一园周,X轴和Y轴运行的距离应完全相同。
如果有不同,两轴间运动位置差就是比例不匹配误差。
在下图中显示的是a和b间的差异。
诊断值
在数据采集中是否使用经校准的球杆仪决定了能否为比例误差给出诊断值,如果已经使用了经校准的球杆仪,那么,可给出X轴及Y轴上比例误差的大小,它反映的是这些轴实际运行的距离。
如果使用了未经校准的球杆仪,则比例误差仅能以比例不匹配的形式,给出X轴与Y轴间移动距离的差异。
在这些情形下无法给出比例误差,而仅给出比例不匹配。
比例误差(如果可适用)按下述方式进行了量化:
比例误差X 49.5ppm
比例误差Y 39.7ppm
比例误差通常用ppm(partspermillion百万分之一)为单位,点击单位按钮也可选取其它单位。
比例误差为正值表明在该轴方向移动过长,而比例误差为负值表明在该轴方向移动不到位。
可以将球杆仪测试园直径与ppm误差相乘来计算移动不到位或移动过长量。
例如,如果在A轴方向存在-25ppm的比例误差,而测试半径是150mm,则X方向的移动距离不到位为:
25/1,000,000x2x150mm = 0.0075mm = 7.5μm
(即测量的移动距离不是300.00mm而是299.9925mm)
比例不匹配(如果可适用)按下述方式进行了量化:
比例不匹配9.8μm
比例不匹配以微米为单位。
如同从图中计算的一样,它可通过将X轴直径减去Y轴直径来得到。
如果给出比例不匹配的值为正值,那么X轴移动距离超过Y轴。
如果给出比例不匹配的值为负值,那么Y轴移动距离超过X轴。
如果使用校准过的球杆仪,在诊断结果表中将比例误差和比例不匹配两项结果均给出。
如果使用的球杆仪未经过校准,则仅给出比例不匹配误差。
然而,由于仅每轴上比例误差间的不匹配对不园度有影响,因此在诊断结果表中仅列出比例不匹配(未列出比例误差)。
可能起因
机器上某一轴相对其它轴或运行过长或运行过短。
有几种可能的原因如下:
∙如果机器上使用了线性误差补偿参数,可能参数设定有误。
∙轴上带状光栅或拉的过紧,或过松。
∙轴的滚珠丝杠可能出故障或过热,导致丝杠螺距误差。
机器可能存在角度误差,导致X轴和Y轴在移动时倾斜出测试平面,这是因为该轴导轨不直或刚性不足。
带来的影响
比例误差的影响是机器上切削的零件出现尺寸误差。
推荐对策
检查所用的所有线性误差补偿值是否正确。
检查轴上带状光栅是否正确拉紧。
检查滚珠丝杠处于良好工作状态未过热,如果有必要的话则进行维护或更新它。
检查机器导轨笔直并处于良好工作状态,如果有必要的话则调整直线度或更新它。
在不同区域多个平行平面内重复进行测试可辨别出角度误差,这辨别出图形变化是否随测试位置离机器工作台面的距离增加而增大,这就是常说的阿贝误差。
可能引起的变形如下图所示。
在测量中,有某些误差图形由机器误差产生,而另有些误差图形由测试误差产生。
机器误差是被测机器中的误差或故障,而测试误差是球杆仪误差或故障或所进行测试方法有误,这些要在测量过程中注意。
d球杆仪对我厂机床进行诊断的应用
我们对我厂的CAK6150LK1417及CKS6163LK0209机床进行了诊断.情况如下:
这是在技术部实验室对CAK6150机床进行试验检测的情况,从检测的效果看,比较理想.从球杆仪诊断中可以看出反向越冲所占的误差比较大(占24%).
如图所示,在Y轴正、负双向有8.4微米和6.7微米的反向跃冲,在X轴正、负双向有13.7微米和-14.6微米的反向跃冲。
可能产生的起因是:
∙该轴驱动电机施加的扭矩不够,造成在换向处由于摩擦力的方向发生改变而出现粘性停顿。
∙机器在进行反向间隙补偿时伺服响应时间不准确,这意味着机器不能准时地对反向间隙施加补偿,导致轴出现停顿,而由反向间隙带来的停滞被取而代之。
∙伺服响应在伺服换向点很差,导致在轴停止一个方向运动开始另一方向运动之间出现短的时延。
这是在90#车间进行的球杆仪检测,机床型号是CKS6163LK0209经检测看出该机床的反向间隙占误差的28%.
可能产生的原因
由于滚珠丝杠中过大扭曲而引起反向间隙的影响,它相对该轴滚珠丝杆驱动端的不同位置而引起不等值反向间隙类型的图形。
可以在具有反向间隙补偿的机器上将该差异调整均化,导致在该轴出现相对台阶。
该扭曲可能由于丝杆磨损、螺母损坏及导轨磨损,这种类型的反向间隙若出现在立轴运动测试中,多半可能为平衡的影响。
将向机床Z轴输入间补0.02MM
这是向机床Z轴输入的-0.02MM后检测的图型,方向选择错了,所以反向间隙更大了.
这是向机床Z轴方向加入+0.02MM的间补,检测后的图型明显地看出反向间隙的误差占的比率明显下降(占6%).从该图型中垂直度和反向越冲,比例不匹配误差占的比例很大.下面是把系统的参数改动一下.
这是改动后的图型,垂直度190.3um/m降到177.3um/m.
从这几次检测中可以看出机床在装配中出现的装配问题.通过改进装配手段改动系统参数就能达到理想的精度要求.
雷尼绍球杆仪对数控机床精度校准诊断上的应用
质量保证部冉茂俊
2004年12月22日
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- 球杆 我厂 机床 制造 中的 应用