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:5 IHM-t-Ai-* fllfl-S? U 畀机tea:旦発旦3.数据采集勒戸）昭虬工R悴弧之间fffl* ->511 -1门IM笛耳）数据并保持传感器数据采集弧是在球杆仪LZ-1^器的端,弧过程中软件采集弧一般处于两段角度越程你可以决定数据采集弧的度数大小，•数据采集弧范围从0°到360例如在一 3轴的数控机床上，校准ZX平面或Y平面时采用180°比较适宜，而在校准XY平面是则采用360°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360°，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360°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180°, 一般在球杆仪传感器运动整园时使用 的采集弧为 360°，运行中不应碰到障碍物180°数据采集弧在进行180°动态数据采集时球杆仪传感器端部运动轨迹应符合面所示的图示：(ttS^aanr.'n 5 ft)F盹堂中由于受到机器工作台的限制，数据采集弧大约为180°。
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 5°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180°越程弧典型的360°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 “m阈限的唯一位置是在进给切入和进给切出点三. 球杆仪的主要功能回砂剽黛輾 Le上逊址工ffl卯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。
ISO 230-4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ASME B5.54 标准 给出最大和最小偏差值ASME B5.57 标准 给出圆度和半径偏差值JIS B6194 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（“m）-0.6-0.5Y -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T4.2“m 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X 轴及 Y 轴的反向间隙按下述格式进行量化:反向间隙(“m)X +0.6 +0.5Y +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 -14.2“m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10 “m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IIIII I I I I曲 £丰+戋 o||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 49.5 ppm比例误差 Y 39.7 ppm比例误差通常用 ppm （parts per million 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-25 ppm的比例误差，而测试半径是150 mm,则X方向的移动距离不到位为：25/ x 2 x 150 mm = 0.0075 mm = 7.5u m1,000,000（即测量的移动距离不是300.00 mm而是299.9925 mm ）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9.8 p m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CAK6150 LK1417及CKS6163 LK0209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 Ballbar 5 HPS©1999 - 2004Renishaw picapply innovation *质量保证部 冉茂俊2004 年 12 月 22 日。