技术论文《五轴机床关键动态性能的测试》发表于《WMEM》

XL-80激光干涉仪测量机器主轴转速K1、直线运动速度K2等

图1

某机床的主轴以3600转/分旋转，测试主轴跳动的曲线见图2。

图2

经过仪器配套的快速傅里叶（FFT）变换软件对所测试的数据进行处理，得到图３所示的频谱分析结果。从图３可见主轴转速的频谱为59.57Hz，相当于主轴转速为59.57Hz x 60 =3575 rpm 【(3575 – 3600) / 3600 = -0.69%, 该测试结果 <±5%的标准要求】。

图3

对于机床直线移动速度的测量K3，XL-80的动态测量功能或动态示波器软件可以完全满足标准的测试要求，不仅可以测量高达4000mm/s的直线运动速度，还可以以接近静态的低速测量机床的低速运动的平稳性（低速爬行）。图4显示的是单步运行及正反向换向间隙。

图4

(1)动态直线度

自上个世纪人类开始利用数控机床进行机械加工以来，一直对两轴直线运动的插补精度都有着一定的要求，三轴机器的NAS试件中的菱形表面的直线度及对边的平行度等等无不体现着人们对该性能的追求。

但长久以来，检测直线运动的插补精度多半是采用实物基准面配合百分表或千分表靠人工读数来实现，对于早期插补精度要求不太高的应用场合，基本上还是可以应付。但随着数控加工精度要求越来越高，镜面铣削等应用的普及，以及数字化制造理念的推广，传统的方法已远无法满足当前技术进步的需要。

随着激光干涉仪测量技术的不断普及，激光干涉仪的非接触数字化测量的特点为当今数控机床的检测铺平了道路。对于直线插补精度的检测，相当于动态评估机床在任意角度方向进行直线插补的移动直线度。而在评价其动态直线度时，需要准确知道其每个数据采集点的位置，从而方便分析插补误差的大小及发生问题的具体位置。

(2)XL-80适于增量光栅反馈系统的动态直线度检测

多年来，市场上广泛使用的是XL-80单光束激光干涉仪，它具有配套的直线度镜组，并能在机器作直线运动时接收触发脉冲来采集直线度数据。能让机床在某个特定位置发出触发脉冲，就需要机床使用的是增量光栅，配合TB20触发器，在其按设定间隔发出的触发脉冲控制下进行动态直线度数据采集。TB20是与XL80激光干涉仪联合使用的一种接口，用于对激光干涉仪采集数据进行触发的一种方式。TB20电路将机器光栅系统输出的模拟或数字AB正交信号按设定好（通过拨码设置）的比例每接收N个AB正交脉冲信号而产生一个触发脉冲，该脉冲输入到XL80的辅助I/O接口控制XL80进行数据采集。

TB20几个典型应用举例如下: 滚珠丝杠动态精度检测、光栅或线纹尺刻线精度检测、主轴攻丝同步精度等等。在本文所描述的应用中是配合激光干涉仪直线度镜组完成动态直线度的验证。

(3)XM-60多光束激光干涉仪适于任意光栅的动态直线度检测

上述XL-80配合TB20的方法仅对使用数控机床采用增量光栅时有效，对于部分使用绝对编码器的机器来说就无法实现动态直线度的检测。另外，对于机器较长行程的直线度或精度较高要求的动态直线度测量来说，环境气流的干扰是一个很难躲过去的问题，只对机器导轨运动一次来测量动态直线度数据其直线度重复性不太容易得到保证。

多年来，随着高精度镜面加工雕铣机及五轴加工机器上采用绝对编码的直线光栅越来越多，XM-60多光束激光干涉仪具备对任意光栅的动态直线度（又称动态数据拟合DDF）检测的功能就填补了该项目检测的空白。CARTO Capture（数据采集）应用程序内置动态数据拟合功能，允许XM-60用户动态采集直线度测量值。在CARTO Capture中重新计算测试数据，以减少数据突跳奇点。这种改进方法具有更强的抗环境干扰能力，而且能够提供质量更高的长轴直线度误差数据。

图5

笔者曾有机会利用XM-60多光束激光干涉仪对一台200ｍｍ行程的高精度导轨进行动态直线度的测量，为消除环境气流、机械振动等外在因素对高精度动态直线度测量的干扰，将XM-60激光干涉仪的往复测量次数设置为15次，机器在测试过程中实际的数据采集的不确定度达到0.08微米，实测动态直线度为0.3微米。

标准中推荐两直线轴圆弧插补精度的方法之一是QC20球杆仪，它是Renishaw(雷尼绍)公司基于蓝牙无线技术的无线球杆仪，可以完全符合ISO标准要求，对两直线轴的圆弧插补精度进行评估。它还具有新的部分圆弧测试功能，其测试结果可以用作新的“空间精度分析”。

图6

球杆仪产品自从问世以来，经过不断的技术迭代、更新，现在的QC20球杆仪拥有最新的蓝牙技术，直接实现传感器与电脑的通讯，不仅仅使测量方便，而且安全性大大提高；还具备故障诊断、误差分析的功能，方便用户解决分析机床的问题，是数控机床维修人员的“听诊器”。全新的设计让三轴机床的直线轴插补的空间精度检测能够在一次安装下就可快速完成，极大地方便了机床检测。

大家都知道五轴加工精度还有更为复杂的刀尖跟随能力需要评定的问题需要解决。有些五轴机床的制造商或用户采用标准球配合千分表或百分表来监测RTCP刀尖跟随能力，但由于普通千分表的零敏度和人工读数的问题，该类检测手段无法按ISO 10791-6标准要求出具五轴机床刀尖跟随能力的检测报告。

图7

如果按ISO10931-6标准测试的刀尖跟随误差偏大，除建议使用雷尼绍的XR20对回转轴角度分度精度进行测量与补偿外，还需利用雷尼绍Axiset Checkup轴心线检测工具来检测调整机床回转轴的轴心线误差。雷尼绍的AxiSet Check-Up（回转轴心线检查工具）通过自动测头测量程序，从标准球上采集性能数据，进而提供准确、可重复的测试结果，同时包含简单而有效的数据分析。所有测试均使用雷尼绍现有的主轴安装式触发测头（大多数多轴机床的标准配置，参见图8）来执行，并通过AxiSet Check-Up随附的机床特定宏程序软件创建测头测量程序。

图8

五轴机床在市场上呈现了强劲的增长势头，采用标准球与千分表的传统五轴机床回转轴心线的检测方式显然已经不合时宜，而且无法自动生成测试报告。雷尼绍采用应变片原理的以三位数起名的（如RMP600/OMP600/MP700等）高精度机床测头现在已经普遍在精密五轴机床上使用，在该类机床上只需再加装一个标准球及几个价格不高的数据采集及分析程序，就能实现回转轴轴心线误差的测量及补偿，配合雷尼绍的球杆仪Ballbar Trace功能，提供五轴机床中回转轴的中心线的调整，实现按目前ISO标准推荐方法，来分析、评估回转轴的性能，通过周期性质量监控来有效识别因机床装调超差、碰撞或磨损而导致的故障。

保证精密五轴机床加工精度的关键在于，除三维机床空间精度及其动态插补精度得到良好的控制外，能够了解回转轴的旋转中心相对于机床线性轴的位置，特别是直线轴与回转轴之间的动态同步精度也需要得到准确的控制和评估。

2021年12月，数控机床领域掀起了一波关于高端数控机床关键技术、检测技术及标准化的讨论 – “高端数控机床关键技术与标准新论坛”和“高端数控机床检测与标准技术国际论坛”分别于17日及30日在北京成功举办。笔者十分荣幸应邀参加了两次讨论，并分享了关于数控机床新版标准带来的五轴机床校准的全新理念和可溯源的先进校准工具的应用。

相信随着机器校准的全新理念的引入，我国机器制造业将迅速与国际标准和国家标准的要求接轨，不仅需要满足静态几何精度的要求，同时还需要能满足机器动态精度的测试要求。结合其它新版数控机床标准对定位精度测量不确定度分析的要求得到进一步落实，将形成促使机器制造人员去设法改进机器制造质量的一股动力，从而帮助提升我国机床制造业的整体质量控制水平。