通過擺線輪數(shù)控磨齒機(jī)介紹了數(shù)控機(jī)床直線軸的滾珠絲桿傳動機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺的位置精度的測量方法，針對磨齒機(jī)的各軸定位精度提出了合理的誤差補(bǔ)償依據(jù)及方法，并通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析其補(bǔ)償效果。利用英國雷尼紹的激光干涉儀及各種光學(xué)鏡組對西門子840d數(shù)控磨齒機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合其工作原理得到該機(jī)床誤差補(bǔ)償圖表，再利用誤差補(bǔ)償技術(shù)對該擺線輪磨齒機(jī)各軸誤差進(jìn)行補(bǔ)償。結(jié)果表明，要提高數(shù)控機(jī)床幾何精度改善機(jī)床性能，對直線軸滾珠絲桿的螺距誤差補(bǔ)償和回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角誤差補(bǔ)償是一種合理且經(jīng)濟(jì)的方法。
一、引言
在眾多機(jī)械產(chǎn)品中齒輪作為一種重要的基礎(chǔ)零件廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械傳動中，因此齒輪的加工制造水平直接影響到各種機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量與精度。擺線輪作為RV減速器中一個重要的核心部件決定了整個減速器的回轉(zhuǎn)精度。
而想要加工出滿足精度的高質(zhì)量擺線輪，擺線輪磨齒機(jī)的各軸精度要求必須滿足。在當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)踐中，提高機(jī)床加工精度的方法一般有兩種分別是誤差補(bǔ)償法和誤差防止法。但隨著機(jī)床精度要求的逐漸提高，高精度機(jī)床的制造成本和制造難度也日益增長，因此根據(jù)機(jī)床各軸特性分析其實(shí)際工作時產(chǎn)生誤差的規(guī)律，運(yùn)用科學(xué)的誤差測量與建模的方法，通過軟件控制的方法給機(jī)床添加一個與實(shí)際誤差大小相等方向相反的人為誤差的誤差補(bǔ)償法在實(shí)際工作中被更多的使用。
該方法方便可靠，不需對機(jī)床的滾珠絲杠、導(dǎo)軌等硬件進(jìn)行更換升級就能提高擺線輪磨齒機(jī)的加工精度具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。
二、直線軸X的誤差測量與補(bǔ)償
激光干涉儀直線軸測量原理：激光干涉儀是一種測量長度的儀器，光具有波粒二象性，利用激光的波長為標(biāo)準(zhǔn)，兩束相干光在傳播過程中就會形成干涉，并在激光器上得到明暗相間的條紋。激光的波長較為穩(wěn)定，每個條紋之間的距離及為激光的一個波長，激光頭利用這些條紋，通過式(3)即可得到被測物體的移動距離。
根據(jù)公式：
式中：N—累計(jì)脈沖數(shù);
λ—激光波長;
c—光速;
v—移動反光鏡的移動速度。
在實(shí)際機(jī)床誤差測量工作中使用的是雷尼紹公司的雙頻激光干涉儀，其除了利用光的干涉原理還使用多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率變化對機(jī)床的各軸進(jìn)行位置檢測。針對數(shù)控磨齒機(jī)直線軸的螺距誤差，其工作原理，如圖1所示。
圖1 基于激光干涉原理的直線軸位置精度測量原理示意
激光頭在通電之后通過分光鏡把一束光分成了兩束相干光，偏振面垂直入射面一束光通過分光鏡反射，射向固定反光鏡形成 f1，為參考光線。偏振面在入射面內(nèi)的另一束光透過分光鏡射向移動反光鏡形成f2，為測量光線。
兩束相干光f1 f2經(jīng)過分別經(jīng)過固定反射鏡1和移動反射鏡2的反射后在分光鏡上進(jìn)行合并、混頻。最后射向激光頭，被激光頭上的激光探測器接收分析。在反光鏡2的移動過程中，參考光源和檢測光源的光程差發(fā)生改變，兩束光形成的干涉信號變化被探測器所接收，探測器通過這些信號的變化即可得到移動反射鏡運(yùn)動的距離，從而得到被測物體的長度。
實(shí)際X軸測量：在實(shí)際測量中，將分光鏡和固定反光鏡1固定在機(jī)床上，激光頭把激光水平射向分光鏡，移動反光鏡2固定在加工臺上，相對于分光鏡與加工臺一起沿著X軸水平移動。實(shí)際直線軸測量布置示意，如圖2所示。
圖2 直線軸測量布置示意
由于機(jī)床X軸螺距補(bǔ)償方式為線性補(bǔ)償，該擺線輪數(shù)控磨齒機(jī)X軸在實(shí)際工作中總的移動距離為250mm，誤差補(bǔ)償?shù)醚a(bǔ)償開始位置為-280mm，補(bǔ)償結(jié)束位置為-30mm，所以測量的螺距誤差補(bǔ)償位置間隔設(shè)置為50mm，補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)共5個，測試次數(shù)為5次，如圖3所示。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)
通過該方式測驗(yàn)循環(huán)得到的測試結(jié)果，如圖4所示。
圖4 補(bǔ)償前的X軸測量結(jié)果分析曲線
直線軸誤差補(bǔ)償： 對得到的X軸測量結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)雷尼紹激光干涉儀發(fā)出激光的波長和探測器接收到的脈沖數(shù)對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過國家標(biāo)準(zhǔn)的誤差補(bǔ)償計(jì)算公式，即可獲得該機(jī)床X軸各補(bǔ)償點(diǎn)的誤差補(bǔ)償值，具體公式如下：
式中：pij —移動反光鏡的實(shí)際位置;
pi —設(shè)定該軸應(yīng)該移動到的理論距離;
xij —兩者之差即為其誤差補(bǔ)償值。
誤差補(bǔ)償分析圖表，如表1所示。根據(jù)其測量結(jié)果，通過西門子840d數(shù)控系統(tǒng)，將表1中通過數(shù)據(jù)分析得到的誤差補(bǔ)償值輸入到機(jī)床誤差補(bǔ)償表中。
表1 X軸誤差補(bǔ)償圖表
以同樣的方法再次測量X軸各補(bǔ)償點(diǎn)的定位精度，如圖5所示。由圖5可以看出，經(jīng)過補(bǔ)償之后的X軸在工作行程-280mm至-30mm的定位精度和重復(fù)定位精度明顯提高。
圖5 X軸螺距補(bǔ)償后的測量結(jié)果三、回轉(zhuǎn)軸C的誤差測量與補(bǔ)償
雷尼紹激光干涉儀回轉(zhuǎn)軸測量原理：數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角誤差測量方法與直線軸誤差測量的原理相同，只需把測量移動反射鏡的直線長度變化量通過三角函數(shù)關(guān)系改為激光角度反射鏡的角度變化量。
在實(shí)際測量中使用到的是雷尼紹XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置。該裝置上的高精度角度反射鏡還帶有高精度的小馬達(dá)。將XR20-W安裝在機(jī)床回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺的中心處，通過內(nèi)部高精度的光柵系統(tǒng)和驅(qū)動器可以使角度反光鏡小轉(zhuǎn)臺進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動。
圖6 XR20-W無線回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置
使用藍(lán)牙連接電腦軟件，當(dāng)機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸以一定的角度旋轉(zhuǎn)時，通過對裝有反射鏡的小轉(zhuǎn)臺的私服控制使角度反射鏡以同樣的速度朝著相反的方向旋轉(zhuǎn)相同的角度，即使通過角度反射鏡反射回來的激光可以回到激光頭。此時以帶有光學(xué)鏡組的精密回轉(zhuǎn)臺作為測量基準(zhǔn)，當(dāng)機(jī)床的被測回轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)角誤差θ時，就會導(dǎo)致兩束干涉光之間的距離發(fā)生改變。如圖7所示。
圖7 基于激光干涉原理的回轉(zhuǎn)軸角度精度測量原理示意
同樣利用光的干涉和多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻差，通過式(3)即可得到反射鏡的位移差異量L。根據(jù)測量的光路原理可以推出，測量臂2 與測量臂1的相對光路變化為ΔL = s × sinθ，而角度反射鏡中兩 個反光鏡之間的公稱間距s一定，則測量系統(tǒng)的軟件可以通過反正弦計(jì)算可得到被測的角度誤差θ。如式(5)所示：
實(shí)際C軸測量：在實(shí)際測量中。將XR20-W回轉(zhuǎn)裝置安裝在C軸轉(zhuǎn)臺中心位置，角度干涉鏡固定在機(jī)床上，激光頭把激光水平射向角度干涉鏡。實(shí)際回轉(zhuǎn)軸測量布置示意，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)床轉(zhuǎn)臺C軸為360°旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺帶動著XR20-W回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)過一定角度，轉(zhuǎn)臺相對靜止后，角度反光鏡會自動旋轉(zhuǎn)回起始位置，正對角度干涉鏡進(jìn)行一次轉(zhuǎn)角測試，并將測試結(jié)果存入電腦中，再從該位置旋轉(zhuǎn)到下一個角度補(bǔ)償點(diǎn)，直到測量范圍覆蓋整個轉(zhuǎn)臺。即可得到C軸整個行程中的轉(zhuǎn)角誤差。
圖8 回轉(zhuǎn)軸測量布置示意
測量過程將C軸行程(0~360)°分為12份，每一份30°。轉(zhuǎn)臺每旋轉(zhuǎn)30°，轉(zhuǎn)臺靜止2s，進(jìn)行一次轉(zhuǎn)角測量。轉(zhuǎn)臺行程共360°，所以C軸每旋轉(zhuǎn)一周可得到13個數(shù)據(jù)，同樣反向也可得到13個數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)，如圖9所示。
圖9 補(bǔ)償前的C軸測量結(jié)果分析曲線
C軸誤差補(bǔ)償： 回轉(zhuǎn)軸與直線軸類似，同樣根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)通過軟件自動生成誤差補(bǔ)償表，如表2所示。
表2 轉(zhuǎn)臺C軸誤差補(bǔ)償圖表
同樣將回轉(zhuǎn)軸的角度補(bǔ)償表通過西門子軟件輸入進(jìn)機(jī)床的誤差補(bǔ)償表，并且再次測量得到數(shù)據(jù)，如圖10所示。
圖10 補(bǔ)償后的C軸測量結(jié)果分析曲線
通過補(bǔ)償后的C軸的測量分析曲線我們可以看出，機(jī)床的轉(zhuǎn)角誤差和重復(fù)轉(zhuǎn)角誤差明顯減小，機(jī)床性能明顯提高。
四、結(jié)論
這里分別介紹了擺線輪數(shù)控磨齒機(jī)直線軸X軸和轉(zhuǎn)臺C軸定位精度誤差的測量與補(bǔ)償，同樣的方法可以用到機(jī)床的其他各個軸。結(jié)果表明采用該方法可有效提高數(shù)控機(jī)床的幾何定位精度，是提高機(jī)床性能的重要手段，為高精度擺線輪的制造提供了可靠保證。
參考文獻(xiàn)略