数控装备的精度诊断

洪迈生 江建鹏 曲征洪 先进机械制造系统，多以NC机床、加工中心、快速成型机或机器人这一类可执行复杂轨迹运动的NC装备为构架基础。能否生产和高水平地运行与维修NC装备，已成为衡量工业先进国家的标志之一。我国是机床拥有量超过300万台的大国和数控机床世界第三进口大国[m,虽然总体上NC率甚低，但随改革开放和社会生产力的发展，除自制外，近年来进口NC装备的费用达几十亿美元之多，广东省机床数控化率已达12%,逼近了先进工业国家(美、日等)90年代初的水平。在上海的一些汽车厂内，一个人操作三台数控机床并不稀罕。国家经贸委已确定的“现阶段我国工业结构调整方案”表明:将“重点发展数控车床、加工中心、数控磨床、数控锻压机床等”。 众所周知，出于现代生产中要求产品为“零缺陷”的需要，作为质量保证体系支柱之一的“在线检测与控制”，世界性的动向是由面向工件的“统计质量控制法(( SOC )”转向面向装备的“直接测量控制法(DMC )"，而后者对装备的“工况监察与精度/故障诊断”的要求更高。这显然是因为数控机床、加工中心和机器人一类的数控装备，经常需要按指令使运动部件执行足够精确的运动轨迹控制，然而由于驱动—执行—反馈—伺服系统中不可避免的干扰以及制造、调整误差的存在，常使得实际执行的插补运动轨迹与理想的指令大相径庭。越来越运行在高速、高精度下数控机床的(复杂)运动(轨迹)误差，直接影响着被加工对象的几何精度。能否确切地掌握该运动误差，既是进行在线补偿加工的必需，又直接关系能否精确地追溯机床各传动部件(含伺服系统)精度异常源或故障源，因此近20年来，先进工业国家始终不渝地在研究适合现场测试数控机床运动误差的快速、有效的方法和机理(含溯因机理)，试图既避免使用费 ·316·工费钱又难以溯因的双频激光干涉仪一类的仪器，又能以足够的精度精确掌握(近似于理想的)指令运动轨迹和实际执行运动轨迹的差异并能溯因。自80年代初起，美国的LawrenceLivermore国家实验室、Purdu。大学和NBS等，日本的京都大学、防卫大学和九州大学等，英国的NPL,Cranfield大学和Manecheste:理工大学等以及其他一些国家和地区都相继作了有力度的投入〔z=,-fia=;由于早期I. B. Bryan(1982)`"-和W Knapp(198V"J研究成果的客观导向作用，在国际上基本形成了以规则圆轨迹误差运动测试和溯因方法为主流的倾向，其主流代表就是双球规(DBB-Double Ball Bar)法，可说明其主流的显著标志是: (1)国际标准化组织已在1990年把数控机床的圆轨迹插补运动测试方法补充人ISO-231; (2)不少国家都将之投人商品化生产，如美国的API公司，英国的Renishaw公司和德国的Hcidonhain公司，都各有自己的品牌的DBB法仪器和软件出售，其用户数远远领先于其他方法，尤其以Renishaw的QC-10(获英国女王奖)为最。但DBB法也有不足，主要是测量精度有限，伸缩管的弯曲变形，球吸座间接触状态的细微变化等都影响测量结果，其综合精度达不到亚微米级，而且很难作小半径圆插补运动的轨迹测量。进人90年代后，有关数控机床运动误差测试机理和方法的研究仍在深人，日本京都大学垣野、户等历经多年研究后率先发表了叙述DBB法的专著(1993)的著作[E61 .防卫大学的奥山等则发展了全周电容((CBP)法[}93，可惜可测半径过小，且无柔性，传感器也需专门制作，难以推广;美国Flonda大学的John C Ziogert等研制了激光双球规并应用于数控车床)二，可惜依然做成接触式的，没有显示出激光式的优越性;1996年丘华等(九州大学户二，姜明甥等(大宇重工少二分别发展了二连杆机构一角编码式法和四连杆机构一PSD法;1997年，我国台湾新竹交大J- M.赖等从DBB法出发发展了诊断数控机床导轨非线性建模分析法[Eli";同年韩国Kumoh国立技术大学的S. M.洪等也成功地逆向反溯到运动误差源，但所用的却是基于早期W. Knapp的标准试棒一微位移传感器一编码器法[121 ;Hem Jap Pank等(汉城大学，1997)则用DBB法试行了对数控机床的三维误差无量纲建模111}, 1998年韩国工业技术研究所H. D Kwon又和英国M. Burdekin一起改进了现有的DBB结构[zi} 国内除台湾地区和我校外，直接在数控机床误差测试理论和方法研究方面作出努力并有所建树的主要有天津大学的刘又午、浙江大学的吴昭同、西北工业大学的马锡琪和四川工业学院黎亚元等几位教授所在的学科群体，前二者或在国家自然科学基金的资助下分别改进了DBB的结构并取得了国内专利，或作为重点攻关项目检测了21个分项误差并进行了补偿，后二者也分别自行研制了双球规和通过测双向伺服电机瞬时转角的办法掌握“数控圆”山二，前三者且都不同程度地展开了数控机床运动精度动态特性和补偿的理论研究一’三一-Ih;有关三坐标机和数控机床多维误差测量和综合的研究则更多.天津大学的张国雄、原上海机械学院的徐享钧等教授以及不少其它院校和研究单位都做了不少有益的工作L’9，勺·，对发展数控装备运动误差测试理论和方法不无借鉴作用，限于篇幅，这里就不一一列举了。问题在于，所有上述数控机床运动误差的各测试方法，要么需使用昂贵的激光双频干涉仪，要么必须使用专门研制的专用仪器。且除CBP法外都大同小异，基本上都可视为1JBB法的各种变型，其基本思路都源于对 ·317·三坐标测量机测量误差的测试分析.因此都从静态或准静态着眼而做成接触式的，而且即使非接触式的如CPB法，也都只能测试圆运动(含主轴回转误差和多轴联动工作台的圆轨迹插补运动);引用多体系统的办法虽然补偿效果很好，但仍然不能直接追溯诸如平衡不良、双向伺服不一等“器质性病变”，直接接入ISO-231比对也不方便。如果不管机床系统误差是大还是小，也不管误差来源是否正常，都一律地测出多少误差就去补偿多少误差，则总有些治标之嫌。不如借鉴“先治病，再强身”的理念，更积极地按’.测量一溯源一调整/维修一补偿”即“先测得误差—按此追溯器质性故障或精度异常源—调整机床机电系统或更新机床部器件排除故障或异常，使机床运行至高品质状态，将机床运动轨迹误差缩至尽可能地小—再对已缩小的误差进行可成倍提高精度的补偿”，达到既治本又治标的目的，否则若机床因器质性病变导致运行很不正常，则通常的微位移补偿常常就难以见效!因此只有另辟蹊径，通过新的测试诊断法，找出系统软硬件不良环节，把机床调整到最佳状态，以成倍地减少异常源，使起始误差尽可能小后再去补偿，适应日趋高速的数控机床运动误差测试的需要。著名的日本牧野制作所推出的MAKINO HYPER型CNC高效高精度模具加工机床，具有Micro FF (Flush和Finesurface)新理念，其主轴转速达32000r/min，进给速度高达16m/min，但在检测时，因受上述现存的主流方法所限，最高也只能做2m/min(对该机床还只是低进给速度)下的运动误差测试就是一个明证。(可资参考的是国外的SIMENSS80CNC系统的最大进给速度为60-100m/min，国内无论是中华I型、华中I型，还是航天I型，蓝天I型，快进给速度都可达24m/min),而对高低不同进给速度下运动误差数据的分析，正是评定机床性能/设定补充指令/追溯故障源或精度异常源的前提。这也是为什么后者的成功率始终不及数控机床运动误差测试方法本身的原因之一。 发展和研究数控装备，无非是希望(1)能自主地研制出高水平装备，(2)在引进时验收好这些装备，(3)在使用时能最大限度地发挥其应有的性能，(4)能及时发现装备的故障和精度异常，并及时排除或维修之;鉴于进口的运动误差测试手段和方法，或则只提供大类误差，但不开放数据，难以溯因并诊断出“器质性病变”(如Renishaw公司)，或虽则开放数据却不提供诊断软件(如Heidenhain)公司，因此能不能发展有国内自主版权的运动误差测试新方法，对上述四个方面都有直接影响:这里且不谈一般意义下某种优良测试方法在机电装备生产/加工/装配/验收和调试中不可缺少的作用，仅就维持该类装备高品质运行下的开动率为例作些说明:笔者在日本工作期间了解到，爱知县丰田汽车厂无人化车间在组建冲压模加工FMS由6台加工中心和输送小车等组成)过程中，开展了数控装备的精度和故障诊断，在不到半年的时间内，装备开动率从不到90写迅速提高到80%以上，其中数控装备的运动误差测试与诊断起到了关键的作用。作为对比，上海一些汽车厂的现装备开动率为60 Yo ^-60%，如果在现有基础上使其中某一分厂的装备开动率提高一个百分点，就相当于增产人民币0.96-1亿元(以年产25^30万台发动机计)，其经济效益非常显著。京都大学的Kakino教授等，曾使用自研的数控机床运动误差测试和诊断法，对企业中包括特种加工机床、加工中心在内的二百多台NC装备进行了运行监察与诊断，不是单纯靠补偿而主要是设法消除器质性病变，结果机床运行两年后，其工作精度不但未见下降，反而大都提高了一个档次。这与国内通常都认为机床精度总是随岁月而 ·616·降低，不少(其中不乏有知名度的)企业出现的NC机床运行品质降低了还浑然不觉，或有所察觉却难以采取有力的消除器质性病变的针对措施相比，反差显然不小。值得注意的是:通过检测工件或标准试样，再作先验型、经验型的补偿实际上一直在进行;更值得注意的是:上述丰田汽车厂和KAKINO等，所采用的主要还是DBB法，对那时的数控装备基本上还能适应。而高质量运行的机床显然有利于稳定地产出高品质的、有竞争力的产品。此外，只有能提供圆和非圆复杂运动误差临床测试新方法，才能对复杂型面加工提供机床运动轨迹是否适配的最直接的信息，才能对包括非机床在内的其它复杂运动(轨迹)误差进行测试和对“器质性病变”溯因，这是不言而喻的。如果能从硬的方面减小运动误差，加上从软的方面加以补偿的办法，则合力的结果定能使我国数控机床的测试一诊断一补偿技术站在世界的制高点上!为此，笔者不揣冒昧，建议尽快进行下面的研究和开发: 硬件方面研发可作较高进给速度下(20m/min );精度达“m级的圆和非圆(刀具—工件)终端相对轨迹测试仪; 软件方面研发从“指令圆(和非圆)”经“数控圆(和非圆)”到“终端(圆和非圆)轨迹”三级数据分析溯因“器质性病变”诊断软件。