数控机床A/B摆角定位精度检测方法研究

刘新宇

(北京航空制造工程研究所，北京100024)

0 引言

机床的动态误差主要包括定位精度和重复定位精度。定位精度是其实际位置对指令位置的一致性程度，大小用误差表示，包括机械传动误差和控制系统误差。重复定位精度是定位精度的重复性，指在相同条件下，用同样的方法，重复同样的动作时，控制对象位置的一致性［1］。对于数控机床A/B摆角而言，旋转轴由于装配、震动、热变形等因素影响，实际加工中的转角与理论值也存在一个差值，以角度定位误差(即摆动的实际角度位置与指令角度位置的不一致量)来表示定位精度，以重复角度定位误差(即在相同条件下，多次摆动到同一角度位置的一致程度)来表示重复定位精度。

A/B摆角的主要结构形式如图1，一般来说，绕机床X轴旋转的摆角定义为A摆，绕机床Y轴旋转的摆角定义为B摆，A/B摆角检测主要有以下几种方法:光学自准直仪-正多面棱体法;角摆检查仪法;光学倾斜仪法等，

图1 A/B摆角结构形式

1 光学自准直仪-正多面棱体法

光学自准直仪-正多面棱体法是目前国内测量摆角位置精度最常用的方法之一，其特点是正多面棱体必须安装在摆角的回转中心上，通过光学自准直仪读数可以反映当前被测摆角的位置误差。由于正多面棱体的工作面数是固定的(24面、36面等)，故不能测量任意步距角(步距角=360°/多面棱体工作面数)的位置误差。

调整光学自准直仪与正多面棱体工作面的相互位置，准直光路，使用当前自准直仪的读数作为读数零点，摆角旋转一个或多个步距角，通过光学自准直仪读数，得到摆角当前位置的角度误差:

式中:θ1为当前位置的角度偏差;i为测量位置，i=1，2，3，...;αi为摆角旋转i个步距角时光学自准直仪的读数;γ为摆角位于坐标零位时光学自准直仪的读数;δi为正多面棱体第i个面的修正值。以此类推，完成待测摆角全行程范围内的角度误差检测。

2 角摆检查仪法

角摆检查仪是一个专门用于测量机床摆角定位精度的高精度测量系统，主要有测量头、控制电箱及电缆组成，测量头内装有一个高精度圆光栅编码器和一个电子水平仪，电子水平仪相对于测量头壳的倾斜角度由伺服马达控制，将两个测量值结合起来，能够计算出测量头从任意一个开始位置转过的相对角度。角摆检查仪可以实现最小步距为0.0002°的角度的测量，测量精度可以达到2″，同时，需利用千分表确保角摆检查仪底座外表面与机床轴线方向的平行度在0.1 mm范围内，以提高测量的准确性。

3 光学倾斜仪法

光学倾斜仪法是一种功能扩展性的测量方法，光学倾斜仪室一种基于水准器原理的测量仪器，主要用于机床台面调整水平及测量大型结构件相互之间夹角等。利用光学倾斜仪来测量机床的摆角定位精度，其测量原理为:将光学倾斜仪通过装用夹具安装在机床主轴上，如图4所示，确保仪器度盘回转中心与机床旋转轴回转中心平行，当机床摆角处于零位时，调整倾斜仪水准器，倾斜仪的读数值为测量零点，当机床摆角旋转一个角度后，再次调平倾斜仪水准器，此时倾斜仪的读数与第一次读数之差，就是机床摆角的实测值，即

式中:θ1为当前位置的角度偏差;i为测量位置，i=1，2，3，...;αi为摆角旋转i个步距角时光学倾斜仪的读数;γ为摆角位于坐标零位时光学倾斜仪仪的读数;λi为机床摆角旋转i个步距位置时的目标值。以此类推，完成待测摆角全行程范围内的角度误差检测。利用电子水平仪代替光学倾斜仪水准器，在提高测量准确性和重复性同时，可以大大提高测量效率。

4 测量结果分析

对定位精度的评定，不同国家和地区有着不同的计量标准，目前国内外现行的定位精度评定标准主要有:①德国标准VDI/DGQ 3441;②国际标准ISO230-2;③中国标准GB/T17421.2-2000;④日本标准JISB6330;⑤美国标准NMTBA。上述标准中，德国标准是最先问世、且最为严格的标准，本文将以德国标准为评定标准详细进行介绍。

设Xij为目标点Xj处第i次正向或反向趋近时的测量值，在目标点Xj处正向或反向趋近时测量值的平均值为

在目标点Xj处正向或反向趋近时的标准偏差为

在目标点Xj处的平均标准偏差为

在目标点Xj处的反向间隙误差为

轴线上最大反向间隙误差为

目标点Xj处位置分散度为

轴线上最大位置分散度为

在目标点Xj处与理论值的系统误差为

轴线上位置偏差为

位置不可靠度为

5 测量实例

本文将以某大型五坐标数据机床A摆角为研究对象，分别利用上述三种方法测量其实际位置误差，以VDI/DGQ 3441标准评定取定位精度、重复定位精度及反向误差，并进行测量结果比较。

某大型五坐标数据机床B摆角的有效行程为±40°，采用步距为10°，双向5次测量，得到测量结果如表1所示。

表1 不同方法测量结果比较

由表1可以看出，利用三种不同方法得到的数据中，定位精度偏差为0.8″，重复定位精度偏差为0.3″，反向误差偏差为0.2″，因此，三种不同测量方法得到的数据具有一定的一致性，均可以反应该摆角的位置误差状态，测量结果正确。

在实际摆角位置精度的测量过程中，应根据摆角的实际运动形态、现场的实际情况合理选择不同的方法进行快速、准确的测量。

6 结束语

本文以五坐标机床的摆角位置精度为研究对象，分别介绍了三种不同的测量机床摆角位置精度的方法，即:光学自准直仪-正多面棱体法、角摆检查仪法以及光学倾斜仪法，并详细介绍了用于定位精度评定的德国VDI/DGQ 3441标准，最后利用三种不同的方法对同一摆角进行测量，并对测量记过进行对比，验证了结果的正确性，为五坐标机床摆角及类似摆角位置精度的检测提供了基础。

［1］李福生.实用数控机床技术手册［M］.北京:北京出版社，1993.