加工中心 A 轴位置精度检测与补偿

1 前言
“数控机床位置精度检验与补偿”课程是一门实践性很强的课程，通过真实的理实一体化教学方法，依托任务驱动的教学项目，训练学生掌握应用激光干涉仪、回转轴校准装置等检测设备测量数控机床直线轴、旋转轴的位置精度，并规范操作数控机床完成误差数据的采集、补偿参数的输入，最终实现好的补偿效果。但是由于激光干涉仪操作难度大、与数控机床紧密配合、操作技术环节复杂，因此很难保证补偿的成功和实训的效果。
2 加工中心 A 轴位置精度的检测与补偿
 加工中心是北京第一机床厂生产的 XHA714 数控机床，数控系统是华中世纪星 22M。数控立卧回转工作台与 X 轴平行安装，称为 A 轴，用作加工中心的第四轴。回转工作台整个传动链由电机、一对啮合齿轮、单级蜗杆副及工作台组成，当电机接到由控制单元发出的启动信号后，经传动链驱动使工作台实现旋转分度。加工中心 A 轴的进给位置精度依赖回转工作台内各个传动部件的制造精度、装配精度和转台与机床的安装精度。
但是只依靠以上两个方面还不够。采用先进的测量设备——激光干涉仪以及回转轴校准装置对加工中心A 轴进行位置精度检测与补偿，是进一步大幅度提高加工中心旋转轴进给位置精度的有效手段。
数控机床的特点是数控系统和机床的有机结合，数控机床位置精度的补偿原理正是应用这一点。采用软件补偿的方法，即通过测量出各目标位置的平均位置偏差，将偏差值叠加到插补指令上，从而使误差得到抵消。
XR20-W 无线型回转轴校准装置与激光系统和角度干涉镜配合使用，可以完成旋转轴位置精度的检测与补偿，测量原理见图 1：从激光头射出的光束穿过角度干涉镜，分成两束平行光束，反射镜将两束光反射回干涉镜后汇合为一束光，回激光头回光孔；测量时运行机床使被测轴旋转，无线型回转轴校准装置也随之旋转，测量软件按照测量间隔角度反向旋转反射镜，使激光光路保持准直；激光头通过分析汇合光的明暗变化，计算出被测轴的角度位置误差。
图１角度位置精度测量原理
2 激光光路的准直
1）准备工作。测量所用的光学镜及相关辅助元件有激光头、XR20-W 无线型回转轴校准装置（带角度反射镜）、角度干涉镜、固定环、定心辅助装置、其他辅助装置等。首先确认机床调平，之后拆下 A 轴上的三抓卡盘，安装固定环，利用定心装置将固定环与旋转轴同心，将 XR20-W 无线型回转轴校准装置安装在固定环上，加工中心工作台上安装角度干涉镜，目测安装在角度反射镜的正前方，镜组在机床上的布局见图 2。根据角度反射镜准直辅助面上靶点的高度安装三脚架，见图 3。三脚架必须放置在坚硬的地面上，不能安装在木质的踏板上。三脚架调平并安装激光头，打开笔记本电脑，运行旋转轴测量软件，XR20-W 无线型回转轴校准装置与电脑蓝牙连接。
2）角度干涉镜的准直。将光靶安装在角度干涉镜上，靶点在上。调整激光头位置，使激光光束射中靶点（即角度干涉镜上三分之一处），之后拆下光靶，激光光束将通过角度干涉镜后变成两束激光平行向前射出。
3）角度反射镜的准直。使用角度反射镜的准直辅助面准直激光，将准直辅助面面对干涉镜，通过微调角度干涉镜和激光头的位置，使两束平行光入射准直辅助面的上靶点，见图 4。之后将角度反射镜的测量面调至面对干涉镜，激光头光闸调至辅助调光位置，此时激光回光打到激光头的回光孔光靶上；再将激光头光闸调至测量位置，激光头上五盏指示灯全亮，光路准直完成。
加工中心Ａ轴位置精度检测
1）在测量软件上进行测量设置，在加工中心上编写测量程序。光路准直成功后，确定测量开始点为 0 度位置，360 度是最后一个测量位置。要求加工中心 A 轴沿正方向运行，测量间隔 30 度，运行到每个间隔将暂停六秒，以便激光系统采集数据。在行程的起始和终点要有 10 度越程移动，消除运动间隙。根据以上要求，在测量软件上点击“新测试” 按钮进行测量设定；在加工中心上编写测量程序。
2）测量开始。测量软件上点击“位置跟踪”按钮设置测试跟踪，之后点击测量开始；在操作加工中心 A 轴运行刚刚编写的测量程序。A 轴运转至各个目标点，采集各个点的误差数值，误差值就是当前激光读数与当前目标位置之间的差值，并五遍采集数据。这时如果出现只采集两三个点的数据光路就没有了的情况，首先考虑是回转轴校准装置的安装与 A 轴不同心所造成的。解决办法是重新安装回转轴校准装置并重新进行光路的准直操作。
3）数据分析。点击“分析数据”按钮进行数据分析，误差数据曲线及精度数据见图 5。

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3 确保补偿成功的操作要点
1）根据机床的现状，合理进行光学镜组的布局。先安装无线型回转轴校准装置，安装要求是确保与加工中心 A 轴同心；再安装角度干涉镜，目测安装在角度反射镜的正前方，与角度反射镜同高度。
2）三脚架必须放置在坚硬的地面上，不能安装在木质的踏板上，并靠近镜组摆放，三脚架应调平。在目测情况下尽量将激光头放正，即垂直于加工中心的 X 轴。云台上的位置控制旋钮预先调至中间位置，这样可以方便光路的准直调节工作。
3）光路准直前，必须进行两个“回参”动作，即操作时加工中心 A 轴先回参，再操作测量软件使回转轴校准装置回参。
4）测量时，被测旋转轴正方向运行从 0 ～ 360 度，0 度参考点必须是被测量及补偿的点。
5）开始测量操作，注意先操作测量软件，让回转轴校准装置先测量开始，等待自校准稳定之后，再操作加工中心 A 轴运行测量程序，使 A 轴运转至各个目标点。
6）合理选择“均值补偿”和“各自补偿”方案，选择依据是从误差图形上判断。本例反向间隙较为均匀，可以选择均值补偿；否则各自补偿效果会更好。
7）补偿数据输入数控系统轴补偿参数后，根据数控系统要求操作机床（重启或复位）。再一次做位置精度检测时，增量型编码器的机床或采用有挡块回参考点的数控机床一定要执行返回参考点操作，这样补偿参数才能生效，确保机床的轴补偿效果。

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