数控机床三维空间误差补偿技术的应用_周汉辉文库

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1、FORUM论坛48航空制造技术2011 年第 6 期数控机床三维空间误差补偿技术的应用以雷尼绍成熟的 XL-80 激光干涉仪和 QC-20 球 杆仪作为测试基础， 向市场推出 RVC-Fanuc 和 RVC- Siemens 两套空间误差修正软件， 以配合具备三维空间 补偿选项的采用 Fanuc 或 Siemens 数控系统的加工中 心、 数控镗铣和龙门机床来提高其空间精度。从目前用 户实际使用的反馈表明， RVC 软件在相关数控机床上使 用灵活、 简便， 效果明显。长久以来， 空间精度补偿技术一 直应用于三坐标测量机上， 以保证三 坐标测量机作为计量器具而对其较 高的精度要求 , 而其机械制

2、造与电 器调试的精度难以满足相关要求。 一般三坐标测量机都经过补偿， 使其 能满足完成高精度测量的需要。随 着数控机床技术的不断发展， 对机床 精度的要求也越来越高。现有机床 精度单从机械设计和硬件制造上来 考虑， 成为制约行业发展的一个普遍Fanuc 或 Siemens 数控系统的加工中 心、 数控镗铣和龙门机床来提高其空 间精度。从目前用户实际使用的反馈表明， RVC 软件在相关数控机床 上使用灵活、 简便， 效果明显。周汉辉 毕 业 于 湖 南 大 学， 1984 1994年在国家机床质检中心、 北京机床研 究所工作， 1994 年至今就职于雷尼绍 中国。Application of 3

3、D Volumetric Error Compensation on CNC MT遇到的瓶颈。将三坐标测量机的空 间精度补偿技术引入到数控机床上， 可成功地解决数控机床精度再提高 的关键问题。 作为三坐标测量机行业中引 领 测 量 技 术 先 锋 的 英 国 （Renishaw） 公司， 在将其三 坐标测量机 UCC 控制器中 “空间误差补偿技术”成功 应用十多年后， 针对 Fanuc、 Siemens 等数控系统， 新近 推出 “空间误差补偿技术” 。 以雷尼绍成熟的 XL-80 激 光干涉仪 （如图 1 所示）和 QC-20 球杆仪作为测试基 础， 向市场推出 RVC-Fanuc 和 RV

4、C-Siemens 两套空间 误差修正软件， 以配合具备 三维空间补偿选项的采用雷尼绍中国区校准产品经理 周汉辉图1 XL-80激光干涉仪2011 年第 6 期航空制造技术49未来测量Future Measurement补偿原理 1 数控机床几何精度常见的 21 项 误差 在机床的三轴移动空间中， 共有 9 个平移误差参数， 9 个角度误差参 数和 3 个垂直度误差参数， 总计 21 项误差。要将 21 项误差对机器空间 位置的影响完全消除， 需要将各项误 差精确地检测出来， 并研究开发有关 软件， 将检测得到的误差数据转换为 具备相应功能的数控系统所能接受 的参数， 提供给系统补偿结果， 从

5、而 提高机床空间精度。 在实际情况中， 一台机床的误 差原因会是多种误差的叠加作用的 结果， 单一误差测量显然无法完全 提高机床的几何精度， 特别是在整 台机器的工作区域内各方向的精 度。 2 数控系统的新增功能 使用空间精度补偿方法对数控 机床工作时产生的误差进行修正 , 如前所述， 前期已经在三维测量机 行业被证实为是减小机床定位误差 的有效方法之一。目前， 国际上许 多知名数控系统厂家， 如 Siemens 和 Fanuc 等， 均在其高端数控系统 中支持这种空间精度补偿的方法 （三维误差补偿或 VCS） ， 使用这种方法可以通过生成机床整个工作空 间的误差参数来全面补偿机床工作 时在几

6、何精度上的偏差， 从而对机 床现有的空间定位误差进行实时纠 正。 3 国内外发展动向 几年前， 当具备空间精度补偿 功能的高端数控系统 Siemens 840D sl（称 VCS） 和 Fanuc 31i（称三维误 差补偿） 推向市场后， 国外生产高端 数控机床的厂家就开始研究相关空 间精度的测量和误差补偿参数计算 方法， 并有少量的研究成果公开发 表。从现有发表的资料看， 有采用 激光跟踪测量法， 在机床不同部位 作为站点测量机床各空间定位点误 差， 并用一定数学模型分离误差源； 也有采用激光干涉仪配合球杆仪等 其他测量工具， 按 21 项误差逐项检 测的方法。 采用激光干涉仪测试各项误差

7、源则是目前国内外普遍通行的办法， 其各项测试结果均具备精度可溯源 性， 可以逐项测量并校核机床精度是 否测量正确、 稳定可靠， 并能方便地 随时校核空间补偿效果。市场上最 为普遍应用的英国产 XL-80 激光干 涉仪还具有开放的软件接口， 方便用 户自行研究开发自己的软件。应用 举例如图 2 所示。针对 Fanuc 31i 和 Siemens 840D 开展空间误差 补偿所需软、 硬件设备1 检测设备 XL-80 激光干涉仪： 分别测量线 性位移、 直线度、 俯仰角、 扭摆角等， 为 RVC 软件提供所需计算补偿参数 所需误差数据文件。 QC20-W 球杆仪： 测量各轴间的 垂直度；并提供机床

8、电器误差与机 械误差方向性诊断。 RX10 转台 ( 可选 )： 测量并提供 回转工作台的转角精度的测量与补 偿。 电子水平仪等：测量机床滚摆 等参数。 2 空间误差修正软件 Fanuc 三维空间补偿对应的修 正软件是 RVC-Fanuc， Siemens 对应 的修正软件是 RVC-Siemens。 RVC 软件具备如下三大功能， 每一功能能够为被测机床完成不同 项目的补偿： 普通线性误差补偿、 三 维空间误差补偿 （线性位移、 直线度、 角度） 和三轴间垂直度误差补偿。 3 数控系统及对应的空间补偿功 能选择附件 Fanuc 3D Compensation 功能和 Siemens VCS

9、功能。 其 中 840D sl1.3 或 更 新 版 本， 需要加载正确的 ELF 文件； 雷尼绍 开发的 RVC-Siemens 适用于 “VCS plus” 、 “VCS A3” 和 “VCS A5” 。 进行补偿功能要采取如下几个 步骤： 在机器工作空间范围中采集测 量数据 , 评估偏差参数并将它们保 存为数据文件 ; 将文件拷入数控系统子目录 “Manufact.Cycles” (CMA) 中； 采用 GUD- 变量激活补偿； 系统实时计算补偿结果并根据 三根几何轴线的实际 MCS 位置将其 写入位置偏置。图2 在Siemens 840D上采用XL-80激光干涉仪和QC-20球杆仪 进

10、行空间误差补偿应用举例VCS 激活误差 保存于 VCS 文件中误差数据保存 于 TRAORI 程序中TRAORI 编程激活旋转轴误差直线轴误差VCS 激活Benefits for the User996 循环测量几何误差核正 + SINUMERIK 840D SL 系统 = 高精度加工没有 VCS有 VCSFORUM论坛50航空制造技术2011 年第 6 期4 在空间补偿前对机床基础状况 的要求 在进行空间误差补偿前最好用 球杆仪对机床综合精度状况进行评 估， 若机床存在较大的反向跃冲、 伺 服不匹配等电器误差， 则即使进行空 间误差补偿， 也对该机床加工精度改 善不大。在进行空间误差补偿前将

11、 机床电器误差调整为次要精度问题 尤为必要 （对机床综合精度状况评估 参见 QC20-W 球杆仪使用说明） 。 重复精度不好的机床即使进行 空间误差补偿， 补偿效果也不明显。 对于精度要求高达 5m 左右 的数控机床， 建议对其使用环境应该 按三坐标测量机的使用环境来要求， 否则从长远来看机床自身因环境变 化而带来的精度变化将会在某种程 度上削弱空间误差补偿的效果。RVC 空间误差修正软件的 应用案例 1 RVC-Fanuc 软件应用 英国某公司在日常生产中使用 的配装 Fanuc 31i 的 Fanuc Robodrill 机床上， 用雷尼绍 RVC 空间误差修 正软件对该机床进行了三维空间

12、误 差补偿， 并按 ISO230-4“数控机床 圆检验”标准采用球杆仪对该机床 补偿前和补偿生效后的XY平面内 的圆度进行验证比较， 其圆度误差由 9.1m 减小到 5.7m。 在北京某机床研究机构最新生 产的 Fanuc 31i 数控坐标镗床上， 用 QL20-W 球杆仪对该机床进行综合 精度测试， 在 3D 空间误差补偿前， XY平面的垂直度XWY为 24.9m/ m， 综合圆度为 11.5m。 加上 3D 空间误差补偿参数和垂 直度补偿参数并使补偿生效后 , 垂 直度误差XWY为 2m/m; 综合圆 度误差为 5.2m 6.6m ( 含多次 测量的重复性误差 )。 为方便说明该机床空间误

13、差补 偿的细节， 现以Y轴为例， 将该机床的精度测试和补偿后的效果作一详 细介绍如下： 该机床Y轴运动在X方向的扭 摆误差YRX最大达到 12；Y轴在Z 方向的俯仰误差YRZ最大达到 9； 在 X-500 Z-791.235 位置 ( 即主轴端 部 ) 对Y轴定位精度YTY进行测量 , 误差大约为 14m。 在离主轴 450mm 位置 , 对Y轴 定位精度进行测量 , 误差YTY大约 为 12m, 但显然由于机床Y轴在X 方向角度误差的影响， 同样是Y轴 定位精度， 在离主轴端面不同位置测 量， 其精度曲线差异很大。 对Y轴Z方向的直线度YTZ进 行三维空间补偿后， 马上验证补偿效 果， 如图

14、 3 所示， 蓝色为补偿前趋势曲线 （误差带宽为约 7m） ， 绿色 曲线为补偿后曲线 （误差带宽为约 1m） ， 补偿效果明显。 2 RVC-Siemens 软件应用 在 意 大 利 Breton 公 司 配 装 Siemens 840D 的 Flymill 1000 龙门 机床上 , 采用 XL-80 激光干涉仪和 球杆仪对各项几何精度进行测量 并完成 VCS 空间误差补偿。有关 补偿前后结果对比如图 4 所示： 排 在前三位最为明显的改进有X轴 定位精度误差XTX由 68m 减小 到 2m；Z轴在Y方向的直线度误 差ZTY从 18m 减小到 3.7m；X 轴在Z方向的直线度误差XTZ从

15、15m 减小到 1.1m。 对于上述测量和 VCS 补偿， 采图3 对Y轴Z方向上三维补偿的效果补偿后补偿前图4 线性、直线度和垂直度在VCS空间误差补偿前后精度对比80 60 40 20 60 50 30 10 0 XWY m/mXWZ m/mYWZ m/mXTX mYTY mZTZ mXTY mXTZ mYTX mYTZ mZTX mZTY m补偿开补偿关-900-500-700-300-800-400-600-200-1000-10-2123误差 /mm45目标 /mm2011 年第 6 期航空制造技术51未来测量Future Measurement图5 对Y轴进行线性定位精度的补偿前后

16、对比补偿后补偿前0-2-6-4-8-10-12 -800-600-400-200-700-500-300-100误差 /m目标 /mm图6 VCS补偿前后的圆度精度（b） VCS 补偿后每刻度 2.0m+X+Y 综合圆度误差 9.4m（a） VCS 补偿前+X+Y综合圆度误差 15.8m每刻度 2.0m补偿结果也不错。 参与测试的有关人员评论道， 采 用雷尼绍 球杆仪和 XL-80 激光干涉 仪比其他同类产品使用要快许多， 因 为从仪器安装使用上看雷尼绍的产 品更为方便。 按 ISO230-2 对Y轴进行线性 定位精度的补偿前后的对比， 蓝色曲 线为补偿后误差 （如图 5 所示） 。 按 ISO230-4 进行球杆仪测试的 圆度精度提高近 40%（见图 6） 。结