介绍了以虚拟Y轴控制的车铣复合加工中心为测试对象，通过对机床虚拟Y轴垂直度、定位精度、插补精度和圆精度等相关精度进行测试，并通过数控系统进行优化补偿，从而提高机床加工精度的方法。
PART 1序言
目前，我国数控机床生产能力及消费市场规模已全球领先，但在中高端高精度、多轴联动复合加工机床市场上，日本、德国等企业处于领先位置，成为我国制造业发展的挑战。而随着国内航空航天、新能源、医疗器械等行业的不断发展，目前在数控车床市场中，对于中高端车铣复合加工中心类数控机床的需求，特别是对带有Y轴的车削中心需求的客户日益增加[1]。
车铣复合加工中心Y轴通常有正交Y轴和倾斜Y轴（即虚拟Y轴）两种结构形式。相较于正交Y轴结构，虚拟Y轴具有高刚性、整体结构小型化等特点，可灵活降低机床高度，使机床整体结构更紧凑，同时通过Y轴的移动可提高机床的外圆键槽铣削能力。具备虚拟Y轴形式的车铣复合加工中心可广泛应用于精密复杂沟槽、非中心钻孔以及攻螺纹等零部件加工领域。
我单位自主研发的带有虚拟Y轴结构的某型号车铣复合加工中心，Y轴床身导轨与水平方向呈40°倾斜，X轴与水平呈70°倾斜。该结构具备较高的刚性。控制系统采用日本FANUC 0i TF PLUS系统（或其他国内外优质系统）和AC交流伺服驱动，操作方便，运转可靠，可对加工范围内各类零件进行各种车削、钻削和铣削加工。
为了更好地对车铣复合加工中心虚拟Y轴结构进行相关功能的调试、试验、测试、应用以及优化补偿[2]，从而使机床最终达到最佳的实际加工应用效果，此次特进行下述试验。
PART 2虚拟Y轴联动插补控制技术
调试首先对虚拟Y轴联动插补控制进行调试。机床结构如图1所示，该车床轴构成为X＋Y＋Z＋CS（第一主轴）＋Sa（动力刀具轴），机床X轴与水平方向夹角为40°，Y轴平面与X轴平面夹角为30°。
图1 虚拟Y轴车铣复合机床结构
当直接使用倾斜Y轴进行编程加工时，假设需要刀塔在垂直于X轴的虚拟Y轴（以Y′轴代替）方向移动距离YL′，其他轴位置保持不变，则实际编程时需要同时移动X轴和Y轴进行联动插补，移动距离XL、YL分别为：
XL＝YL′/tan30° （1）
YL＝YL′/sin30° （2）
对于直接进行程序编写，尤其是当X轴与Y′轴联动时难度较高，因此需要通过数控系统的倾斜轴功能调试，可使X轴和Y轴以正交的方式进行编程和控制，降低程序编写难度。控制时应保证Y轴假想轴与X轴垂直且正方向向上，如图2所示。
图2 倾斜Y轴控制
使用Y轴作为倾斜轴控制，需要选择并开通“倾斜轴控制”功能，FANUC 0i TF PLUS数控系统中，可通过参数诊断号1270#0判断系统是否开通此项功能。
主要参数设定：FANUC 0i TF PLUS系统中，主要调整参数[3]见表1。
表1 Y轴定位精度对比
PART 3虚拟Y轴垂直补偿
X轴与真实Y轴之间的夹角为30°，通过系统插补运算，虚拟Y轴移动时与X轴之间夹角为90°。但是由于在零件加工、装配过程中必然存在微小误差，X轴和Y轴的实际夹角不一定完全精确为30°，因此需要确定X轴及Y轴之间的实际夹角，补偿至FANUC数控系统8210参数中，以确保虚拟Y轴运动时与X轴之间的垂直度能够满足标准要求。有两种方法可以完成：工件试切法和检具测量调试法。
3.1 工件试切法
通过在机床上对工件进行实际试切加工，分别沿X轴、真实Y轴方向进行铣削加工，确定X轴、真实Y轴实际运动轨迹，再通过三坐标测量仪等测量仪器，对轨迹之间夹角进行测量，将实际测量值补偿至倾斜轴角度8210参数中，如图3所示。
图3 X轴-Y轴角度测试补偿
3.2 检具测量调试法
为简化测试调试流程，此次设计了虚拟Y轴垂直度专用检测检具，如图4所示，用检具代替实际切削进行垂直度调整。
图4 X轴-Y′轴垂直度测量检具
检具自身两相邻边互相垂直（＜0.003/200）。检测时，将主轴切换至C轴模式，调整C轴角度，沿X方向移动刀塔，通过千分表检测读数，使检具X向直角边与X轴运动平行，再保持C轴位置不动，沿虚拟Y轴Y′方向移动刀塔，读取千分表在检具Y′方向上的两端差值a，通过计算得出理论角度偏差值θ′，并将此偏差值叠加补偿至参数8210中。
θ′＝arctan（a/L） （3）
式中，L为检具直角边测量长度（mm）。经过实际应用测试，通过该检具可快速完成虚拟Y轴与X轴的垂直度调整。
PART 4虚拟Y轴定位精度测试补偿技术
虚拟Y轴定位精度测试补偿技术因为具有虚拟Y轴结构的机床在实际加工应用中，Y轴实际运动为复合插补运动，因此需要对虚拟Y轴的定位精度进行测试、补偿。在FANUC数控系统中，螺距误差补偿、反向间隙补偿等参数，对应的均为真实X轴、真实Y轴。而实际测试补偿对象为虚拟Y轴，对于两者的不统一，可以采取两种方法解决：一是测试并补偿真实Y轴，靠X轴、真实Y轴的精度间接保证虚拟Y轴的联动精度；二是测试虚拟Y轴，按计算数据补偿至真实Y轴。以下为两种补偿方式的效果对比。
4.1 测试并补偿真实Y轴，间接保证虚拟Y轴
实际对真实X轴、真实Y轴进行定位精度测试并进行螺距误差补偿，然后再测试虚拟Y轴，测试结果如图5所示。采用RENISHAW XL80激光干涉仪，对机床Y轴定位精度进行测试。
图5 测试并补偿真实Y轴后虚拟Y轴的定位精度
4.2 测试虚拟Y轴，按计算补偿至真实Y轴
补偿后虚拟Y轴定位精度测试结果如图6所示。
图6 测试虚拟Y轴后折算补偿至真实Y轴虚拟Y轴定位精度
4.3 两种补偿方式效果对比
两种补偿方式效果对比见表2。
表2 Y轴定位精度对比
由测试结果可得出结论，通过测试虚拟Y轴，以及比例计算后补偿真实Y轴，比直接测试、补偿真实Y轴的螺距误差小，精度有明显提升。
PART 5伺服优化测试通过FANUC SERVO GUIDE软件，对包括虚拟Y轴在内的进给轴进行伺服优化测试调整，主要包括：各轴快移时间常数的调整、标准圆弧测试（X-Z平面）、对倾斜轴的圆弧测试（X-Y平面）、方形测试、方形带1/4圆弧测试、Cs轮廓控制测试、振动频率测试及伺服频率响应测试等，如图7～图9所示。
a）快移时间常数的调整 b）圆弧测试
图7 快移时间常数的调整、圆弧测试
a）方形测试 b）方形带1/4圆弧测试
图8 方形测试、方形带1/4圆弧测试
a）Cs轮廓控制测试 b）伺服频率响应测试
图9 Cs轮廓控制测试、伺服频率响应测试
主要从速度和位置增益、插补后时间常数、圆弧半径减速、拐角减速允许速度差、切削进给时间常数和速度前馈等几个方面着手进行调整。
通过反向间隙（Backlash）、反向越冲（Reversalpeaks）、周期误差（Cyclic Error）、比例不匹配和伺服不匹配[4]等方面，对FANUC系统主要参数进行优化调整，提升机床动态性能。参数包括：No.1622（各轴切削进给的插补后加减速时间常数）、No.1769（插补后加减速时间常数）、No.2005#1（前馈有效）、No.2092（先行前馈系数）及No.1825（位置环增益）等[5]。
PART 6实际加工应用测试
为验证Y轴精度调试效果，在调整前后，对NAS试件进行试切（见图10），进行加工精度对比和表面质量对比。
图10 NAS试件加工
6.1 加工精度对比测试
加工精度对比见表3。
表3 NAS试件精度对比
从试验结果可得出，经过优化调整后加工精度有明显提升。
6.2 加工表面质量对比测试
伺服优化前后，对虚拟Y轴铣削加工表面质量对比见表4。
表4 虚拟Y轴加工表面质量对比
伺服优化前，加工表面有较明显切削振纹，经过优化调整后，表面振纹得到明显改善。优化调整前，表面粗糙度值Ra＝1.3μm，经过优化调整后表面粗糙度值Ra降为0.7μm。由上述试验测试结果可得出，经过伺服优化测试调整，切削零件相关精度和表面质量得到显著改善和提升。
PART 7结束语
本文介绍了带虚拟Y轴的车削中心结构，以及进行X-Y平面垂直度测试及补偿，虚拟Y轴定位精度测试及补偿，相关伺服优化调整，实际切削NAS工件对比等，得出如下主要结论。
1）通过两种方法测试X轴和真实Y轴之间的实际夹角，或通过系统参数进行补偿，都可保证X轴和虚拟Y轴之间的垂直度满足标准和使用要求。
2）通过对两种虚拟Y轴定位精度的螺距误差补偿方法实际的应用对比，证明通过直接测试虚拟Y轴定位精度，经过比例计算后补偿真实Y轴的螺距误差补偿数据，优于测试真实Y轴定位精度并进行螺距误差补偿，间接保证虚拟Y轴定位精度，效果有明显提升。
3）通过FANUC系统SERVO GUIDE软件，对机床系统相关伺服参数进行优化调整，可显著提高机床运动插补精度，机床加工试件的插补铣圆圆度精度、Y轴插补直线度和零件拐角处轮廓度误差等精度也可明显提升。
4）经过对机床进行优化前、后加工NAS试件精度的对比，加工精度和加工表面质量都得到明显提升。可以得出结论：经过相关优化、补偿调整后的虚拟Y轴，可达到比较满意的实际应用效果。
