基于西门子VCS的大型五轴机床空间误差补偿

在机床生产制造及使用过程中，由于各组成部件表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差的存在，导致机床在空间内移动时出现位置和姿态偏差。对于三轴机床，共计21项误差（包括3个定位误差、6个直线度误差、9个转角误差、3个垂直度误差），如图1所示。对于五轴机床，每个旋转轴也引入了相应的运动误差和位置误差，以某C轴为例，如图2所示。

图1：三轴机床21项误差

图2：C旋转轴误差

上述误差会导致机床移动及旋转误偏差，进而造成逼近的实际位置值和预设的设定位置值出现偏差，即空间误差（如图3所示），最终直接影响机床及加工工件的精度。

图3：空间误差

为了保障机床的加工精度，西门子数控系统提供了VCS空间误差补偿功能。成飞数控加工厂采用ETALON激光跟踪仪对一台大型龙门AB摆头五轴机床进行了检测，然后基于西门子840D sl数控系统的VCS进行了空间误差补偿。补偿后，机床加工空间对角线的定位误差减小了77%。

1 西门子VCS空间误差补偿系统

(1) 功能分类

840D sl VCS空间误差补偿为选项功能，分为4种：VCS A3、VCS A5、VCS A5 Plus、VCS Rotary，如图4所示。

图4：840D sl VCS空间误差补偿选项

(2) 误差参数命名

根据ISO 230-1，机床几何误差包含部件误差（Component Error）和位置误差（Location Error）两类。

部件误差是运动部件在6个自由度方向的偏差，与运动轴的坐标位置相关，包含沿X、Y、Z轴的位移误差和绕X、Y、Z轴的转角误差。ISO230-1中，部件误差采用3个字母进行命名：第一个字母固定为E；第二个字母（X/Y/Z/A/B/C）表示误差所在方向；第三个字母（X/Y/Z/A/B/C）表示所考察的运动轴。

位置误差是运动轴实际轴线相对于名义轴线的位置和方向偏差，与坐标位置无关。ISO230-1中，位置误差也采用3个字母进行命名：第一个字母（X/Y/Z/A/B/C）表示误差所在方向；第二个字母固定为O；第三个字母（X/Y/Z/A/B/C）表示所考察的运动轴。

如表1所示，西门子VCS中的误差参数定义与ISO230标准一致，但命名规则不同。VCS中采用德国VDI标准命名，仍用三个字母进行命名：第一个字母（X/Y/Z/A/B/C）表示所考察的运动轴；中间字母固定为T、R和W，分别表示平移误差、旋转误差和轴间角度误差；第三个字母（X/Y/Z）表示误差所在方向。例如，X轴的定位误差命名为XTX。

表1：VCS误差命名与ISO标准对比

(3) 补偿文件格式

VCS补偿文件的格式与CEC类似，包括文件头[Header]、配置[Configuration]和误差参数值三个部分。文件头和配置信息中可以输入机床型号、机床编号、数控系统型号、数控系统软件版本、VCS版本、误差数据的单位等信关键字，这些关键字是可选的，仅用于信息记录。最重要的是误差参数值，对于与位置相关的误差参数，需列出每一测量位置的误差参数值，以某X轴定位误差为例，其格式如下：

[XTX]

AXIS_LENGTH [L_U] = 4100

INTERVAL [L_U] = 100

DEVIATION [D_U]

GRIDPOINTS = {

0.0 -0.2

100.0 -1.2

…

4000.0 40.5

4100.0 41.2

}

对于与位置无关的误差参数，仅有1个误差值，例如：

[XWY]

DEVIATION [A_U]

VALUE = 0.000050845963

2 基于ETALON激光跟踪仪的误差检测

LaserTRACER NG是ETALON专为机床误差检测研制的激光跟踪仪，其结构如图5所示，测量精度达0.2µm+0.3µm/m，分辨率达0.001µm，测量范围从0.2m到20m。配套的测量软件包含用于误差辨识的TRAC-CAL和用于误差评定的TRAC-CHECK。

图5：ETALON LaserTRACER NG激光跟踪仪

使用ETALON LaserTRACER NG激光跟踪仪，对一台大型龙门AB摆头五轴机床的几何误差进行了检测和辨识。机床结构如图6所示，X、Y、Z轴行程分别为5000mm、2500mm、800mm，A、B摆行程均为±30°，数控系统为西门子840D sl，VCS为A5 plus版本为6.0。

图6：机床结构示意图

对XYZ直线轴，分别将跟踪仪放置于8个位置进行测量，以确保相关几何误差项的不确定度小于2μm。图7所示为位置1处的测量轨迹。

图7：XYZ轴测量规划（位置1）

对旋转轴A和B，为确保较小的不确定度，分别将反射镜安置于摆头上四个位置、并分别在加工空间六个位置进行测量。图8所示为A轴测量规划。

图8：A轴测量规划

运行相应的NC程序进行测量后，通过TRAC-CAL辨识获得误差参数值。图9和图10分别为XYZ直线轴和A旋转轴辨识结果。

图9：XYZ轴误差参数值

图10：A轴误差参数值

3 误差补偿及效果验证

在TRAC-CAL软件中生成VCS格式的补偿文件，需命名为VCS*_***.SPF（*为0~9的数字），然后拷贝到数控系统指定目录中。对于已配置好VCS的数控系统，只需设置以下两项参数即可完成补偿。

VCS_FILE_TABLE =*** （***为VCS文件名中对应的数值）

VCS_FILE_TABLE_ENTRY_APPLY = 1 （补偿使能）

若补偿成功，移动机床，在VCS_COMP_VAL_GEO参数中可看到实时补偿值，如图11所示。

图11：VCS_COMP_VAL_GEO参数

在轴信息界面下也可以看到生效的VCS空间误差补偿数据，如图12为所示。

图12：轴信息界面下的VCS空间误差补偿数据

补偿前后分别使用ETALON LaserTRACER NG激光跟踪仪配合TRAC-CHECK软件对机床加工空间体对角线上的定位误差进行了测量，检测结果如图13和图14所示。对比可见，补偿后，体对角线上的定位误差从大于220μm减小为小于50μm，减小77%。

图13：体对角线定位误差（补偿前）

图14：体对角线定位误差（补偿后）

4 总结

西门子VCS空间误差补偿系统使用简单，较少数单项误差参数的补偿可进一步提升机床的加工精度。对大型数控机床，采用激光跟踪仪测量辨识后进行空间误差补偿，是目前控制几何误差较为理想的方案，建议为有高精度加工需求的机床配置空间误差补偿模块。