介紹了以虛擬Y軸控制的車銑復合加工中心為測試對象，通過對機床虛擬Y軸垂直度、定位精度、插補精度和圓精度等相關精度進行測試，并通過數(shù)控系統(tǒng)進行優(yōu)化補償，從而提高機床加工精度的方法。
PART 1序言
目前，我國數(shù)控機床生產(chǎn)能力及消費市場規(guī)模已全球領先，但在中高端高精度、多軸聯(lián)動復合加工機床市場上，日本、德國等企業(yè)處于領先位置，成為我國制造業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)。而隨著國內航空航天、新能源、醫(yī)療器械等行業(yè)的不斷發(fā)展，目前在數(shù)控車床市場中，對于中高端車銑復合加工中心類數(shù)控機床的需求，特別是對帶有Y軸的車削中心需求的客戶日益增加[1]。
車銑復合加工中心Y軸通常有正交Y軸和傾斜Y軸（即虛擬Y軸）兩種結構形式。相較于正交Y軸結構，虛擬Y軸具有高剛性、整體結構小型化等特點，可靈活降低機床高度，使機床整體結構更緊湊，同時通過Y軸的移動可提高機床的外圓鍵槽銑削能力。具備虛擬Y軸形式的車銑復合加工中心可廣泛應用于精密復雜溝槽、非中心鉆孔以及攻螺紋等零部件加工領域。
我單位自主研發(fā)的帶有虛擬Y軸結構的某型號車銑復合加工中心，Y軸床身導軌與水平方向呈40°傾斜，X軸與水平呈70°傾斜。該結構具備較高的剛性?？刂葡到y(tǒng)采用日本FANUC 0i TF PLUS系統(tǒng)（或其他國內外優(yōu)質系統(tǒng)）和AC交流伺服驅動，操作方便，運轉可靠，可對加工范圍內各類零件進行各種車削、鉆削和銑削加工。
為了更好地對車銑復合加工中心虛擬Y軸結構進行相關功能的調試、試驗、測試、應用以及優(yōu)化補償[2]，從而使機床最終達到最佳的實際加工應用效果，此次特進行下述試驗。
PART 2虛擬Y軸聯(lián)動插補控制技術
調試首先對虛擬Y軸聯(lián)動插補控制進行調試。機床結構如圖1所示，該車床軸構成為X＋Y＋Z＋CS（第一主軸）＋Sa（動力刀具軸），機床X軸與水平方向夾角為40°，Y軸平面與X軸平面夾角為30°。
圖1 虛擬Y軸車銑復合機床結構
當直接使用傾斜Y軸進行編程加工時，假設需要刀塔在垂直于X軸的虛擬Y軸（以Y′軸代替）方向移動距離YL′，其他軸位置保持不變，則實際編程時需要同時移動X軸和Y軸進行聯(lián)動插補，移動距離XL、YL分別為：
XL＝YL′/tan30° （1）
YL＝YL′/sin30° （2）
對于直接進行程序編寫，尤其是當X軸與Y′軸聯(lián)動時難度較高，因此需要通過數(shù)控系統(tǒng)的傾斜軸功能調試，可使X軸和Y軸以正交的方式進行編程和控制，降低程序編寫難度?？刂茣r應保證Y軸假想軸與X軸垂直且正方向向上，如圖2所示。
圖2 傾斜Y軸控制
使用Y軸作為傾斜軸控制，需要選擇并開通“傾斜軸控制”功能，F(xiàn)ANUC 0i TF PLUS數(shù)控系統(tǒng)中，可通過參數(shù)診斷號1270#0判斷系統(tǒng)是否開通此項功能。
主要參數(shù)設定：FANUC 0i TF PLUS系統(tǒng)中，主要調整參數(shù)[3]見表1。
表1 Y軸定位精度對比
PART 3虛擬Y軸垂直補償
X軸與真實Y軸之間的夾角為30°，通過系統(tǒng)插補運算，虛擬Y軸移動時與X軸之間夾角為90°。但是由于在零件加工、裝配過程中必然存在微小誤差，X軸和Y軸的實際夾角不一定完全精確為30°，因此需要確定X軸及Y軸之間的實際夾角，補償至FANUC數(shù)控系統(tǒng)8210參數(shù)中，以確保虛擬Y軸運動時與X軸之間的垂直度能夠滿足標準要求。有兩種方法可以完成：工件試切法和檢具測量調試法。
3.1 工件試切法
通過在機床上對工件進行實際試切加工，分別沿X軸、真實Y軸方向進行銑削加工，確定X軸、真實Y軸實際運動軌跡，再通過三坐標測量儀等測量儀器，對軌跡之間夾角進行測量，將實際測量值補償至傾斜軸角度8210參數(shù)中，如圖3所示。
圖3 X軸-Y軸角度測試補償
3.2 檢具測量調試法
為簡化測試調試流程，此次設計了虛擬Y軸垂直度專用檢測檢具，如圖4所示，用檢具代替實際切削進行垂直度調整。
圖4 X軸-Y′軸垂直度測量檢具
檢具自身兩相鄰邊互相垂直（＜0.003/200）。檢測時，將主軸切換至C軸模式，調整C軸角度，沿X方向移動刀塔，通過千分表檢測讀數(shù)，使檢具X向直角邊與X軸運動平行，再保持C軸位置不動，沿虛擬Y軸Y′方向移動刀塔，讀取千分表在檢具Y′方向上的兩端差值a，通過計算得出理論角度偏差值θ′，并將此偏差值疊加補償至參數(shù)8210中。
θ′＝arctan（a/L） （3）
式中，L為檢具直角邊測量長度（mm）。經(jīng)過實際應用測試，通過該檢具可快速完成虛擬Y軸與X軸的垂直度調整。
PART 4虛擬Y軸定位精度測試補償技術
虛擬Y軸定位精度測試補償技術因為具有虛擬Y軸結構的機床在實際加工應用中，Y軸實際運動為復合插補運動，因此需要對虛擬Y軸的定位精度進行測試、補償。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中，螺距誤差補償、反向間隙補償?shù)葏?shù)，對應的均為真實X軸、真實Y軸。而實際測試補償對象為虛擬Y軸，對于兩者的不統(tǒng)一，可以采取兩種方法解決：一是測試并補償真實Y軸，靠X軸、真實Y軸的精度間接保證虛擬Y軸的聯(lián)動精度；二是測試虛擬Y軸，按計算數(shù)據(jù)補償至真實Y軸。以下為兩種補償方式的效果對比。
4.1 測試并補償真實Y軸，間接保證虛擬Y軸
實際對真實X軸、真實Y軸進行定位精度測試并進行螺距誤差補償，然后再測試虛擬Y軸，測試結果如圖5所示。采用RENISHAW XL80激光干涉儀，對機床Y軸定位精度進行測試。
圖5 測試并補償真實Y軸后虛擬Y軸的定位精度
4.2 測試虛擬Y軸，按計算補償至真實Y軸
補償后虛擬Y軸定位精度測試結果如圖6所示。
圖6 測試虛擬Y軸后折算補償至真實Y軸虛擬Y軸定位精度
4.3 兩種補償方式效果對比
兩種補償方式效果對比見表2。
表2 Y軸定位精度對比
由測試結果可得出結論，通過測試虛擬Y軸，以及比例計算后補償真實Y軸，比直接測試、補償真實Y軸的螺距誤差小，精度有明顯提升。
PART 5伺服優(yōu)化測試通過FANUC SERVO GUIDE軟件，對包括虛擬Y軸在內的進給軸進行伺服優(yōu)化測試調整，主要包括：各軸快移時間常數(shù)的調整、標準圓弧測試（X-Z平面）、對傾斜軸的圓弧測試（X-Y平面）、方形測試、方形帶1/4圓弧測試、Cs輪廓控制測試、振動頻率測試及伺服頻率響應測試等，如圖7～圖9所示。
a）快移時間常數(shù)的調整 b）圓弧測試
圖7 快移時間常數(shù)的調整、圓弧測試
a）方形測試 b）方形帶1/4圓弧測試
圖8 方形測試、方形帶1/4圓弧測試
a）Cs輪廓控制測試 b）伺服頻率響應測試
圖9 Cs輪廓控制測試、伺服頻率響應測試
主要從速度和位置增益、插補后時間常數(shù)、圓弧半徑減速、拐角減速允許速度差、切削進給時間常數(shù)和速度前饋等幾個方面著手進行調整。
通過反向間隙（Backlash）、反向越?jīng)_（Reversalpeaks）、周期誤差（Cyclic Error）、比例不匹配和伺服不匹配[4]等方面，對FANUC系統(tǒng)主要參數(shù)進行優(yōu)化調整，提升機床動態(tài)性能。參數(shù)包括：No.1622（各軸切削進給的插補后加減速時間常數(shù)）、No.1769（插補后加減速時間常數(shù)）、No.2005#1（前饋有效）、No.2092（先行前饋系數(shù)）及No.1825（位置環(huán)增益）等[5]。
PART 6實際加工應用測試
為驗證Y軸精度調試效果，在調整前后，對NAS試件進行試切（見圖10），進行加工精度對比和表面質量對比。
圖10 NAS試件加工
6.1 加工精度對比測試
加工精度對比見表3。
表3 NAS試件精度對比
從試驗結果可得出，經(jīng)過優(yōu)化調整后加工精度有明顯提升。
6.2 加工表面質量對比測試
伺服優(yōu)化前后，對虛擬Y軸銑削加工表面質量對比見表4。
表4 虛擬Y軸加工表面質量對比
伺服優(yōu)化前，加工表面有較明顯切削振紋，經(jīng)過優(yōu)化調整后，表面振紋得到明顯改善。優(yōu)化調整前，表面粗糙度值Ra＝1.3μm，經(jīng)過優(yōu)化調整后表面粗糙度值Ra降為0.7μm。由上述試驗測試結果可得出，經(jīng)過伺服優(yōu)化測試調整，切削零件相關精度和表面質量得到顯著改善和提升。
PART 7結束語
本文介紹了帶虛擬Y軸的車削中心結構，以及進行X-Y平面垂直度測試及補償，虛擬Y軸定位精度測試及補償，相關伺服優(yōu)化調整，實際切削NAS工件對比等，得出如下主要結論。
1）通過兩種方法測試X軸和真實Y軸之間的實際夾角，或通過系統(tǒng)參數(shù)進行補償，都可保證X軸和虛擬Y軸之間的垂直度滿足標準和使用要求。
2）通過對兩種虛擬Y軸定位精度的螺距誤差補償方法實際的應用對比，證明通過直接測試虛擬Y軸定位精度，經(jīng)過比例計算后補償真實Y軸的螺距誤差補償數(shù)據(jù)，優(yōu)于測試真實Y軸定位精度并進行螺距誤差補償，間接保證虛擬Y軸定位精度，效果有明顯提升。
3）通過FANUC系統(tǒng)SERVO GUIDE軟件，對機床系統(tǒng)相關伺服參數(shù)進行優(yōu)化調整，可顯著提高機床運動插補精度，機床加工試件的插補銑圓圓度精度、Y軸插補直線度和零件拐角處輪廓度誤差等精度也可明顯提升。
4）經(jīng)過對機床進行優(yōu)化前、后加工NAS試件精度的對比，加工精度和加工表面質量都得到明顯提升。可以得出結論：經(jīng)過相關優(yōu)化、補償調整后的虛擬Y軸，可達到比較滿意的實際應用效果。
