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數控機床進給軸位置精度（dù）的測量與優化

2021-3-8 來源：武警海警學（xué）院機電管理係作者：楊少兵陳忠維

摘要數控機床進給軸（zhóu）位置精度對加工精（jīng）度具有重要影響。通過使用雷尼紹（shào）XL-80型激光幹涉儀測量某型數控（kòng）車床X、Z軸的定（dìng）位誤差數據，利用軟件分析得到反向（xiàng）間隙補償值和螺距誤（wù）差補償值，並在西門子840D sl數控係統中進行反向間隙補（bǔ）償和螺距誤差補償；兩進給軸誤差補償前後位置精度（dù）的實際測（cè）量結（jié）果表明，其定位精度和重複（fù）定位精度得到了顯著（zhe）的提高。

關鍵詞（cí）數控機床；進給軸位置精度；激光幹（gàn）涉儀；反（fǎn）向間隙補償；螺距誤差補償

數控機床加工精度主要由加工刀（dāo）具與工件間穩固的相對位置決定，而進給軸位置精度是刀具與工件相對位置的基本決定因素。因此，提高機床進（jìn）給軸的位置精度，對提高工件的加（jiā）工品質具有重要意義。機床進給軸的位置精度主要表現在滾珠絲杠反向間隙（xì）、直線運動軸定位精度及（jí）重（chóng）複（fù）定（dìng）位精度 3 個方麵。在機床（chuáng）裝配調試與運（yùn）行管理維護過（guò）程中，通常使用數控係統軟件補償方式，以消除因零部（bù）件製造誤差、裝配誤差、運行磨損等引起的進給軸直線運動位置誤差，如反向間隙、螺距誤差等（děng），進而提高進（jìn）給軸的位置精度。

本文以某（mǒu）型配備西（xī）門子 SIMUMERIK840D sl 係統的機床為研究對象，其數控係統配備（bèi）PCU 50.5-C控製單元、NCU 710.2數控單元；進給軸 X 有效行程為 1100 mm，測量裝置（zhì）為海德漢LS187C-1340型光柵尺；Z軸有效行程（chéng）為370 mm，測量裝（zhuāng）置為海德（dé）漢 LS187C-440 型（xíng）光柵尺。在（zài）其精（jīng）度調試（shì）過程中，使用雷尼紹 XL-80 型（xíng）激光幹涉儀實現對直線運動軸 X 與運動位置精度的測

量；基於對應的（de）運行誤差數據（jù），求得相應進給（gěi）軸滾珠絲杠的反向間隙補償值和螺距誤差補償值，並在數控係統中對（duì）反向間隙和螺距誤（wù）差（chà）進行軟件補償，以實現提高X、Z軸位置（zhì）精度（dù）的目的。

1 、進給軸位置誤差測量

使用激光幹涉儀XL-80測量係統的線性測長組（zǔ）件測量進給軸的位置（zhì）誤（wù）差，主（zhǔ）要包括（kuò）激光頭、補償（cháng）器、帶雲台的三（sān）腳架及線性測量鏡組。線性測量鏡組主要由分光鏡、線性反射鏡（jìng）及（jí）光靶組成。數據采集與分析分別（bié）使用專用的線性測長軟件與數（shù）據分析軟件。下麵（miàn）以X軸為例，介紹進給軸位置誤差（chà）測量。

1.1 激光幹涉儀測（cè）量準備

測量 X 軸線性位移時，主要測量組件（jiàn）在機床上的基本布置如圖1所示。應先做好測量前的準備工作。

1）在X軸運行方向前方穩固地架設好（hǎo）三腳架與雲台，在（zài）雲台上固定好激光頭，調整（zhěng）位姿微調旋鈕，使各個方向（xiàng）的調整行程（chéng）處於中間位置。

2）連接好激光（guāng）頭電源及溫度（dù）、濕度傳感（gǎn）器，打開（kāi）電源（yuán）開關，轉（zhuǎn）動激光頭光閘，使射出的激光束最細；調節三腳架位置（zhì）與腳的高度，配合（hé）使用係統自帶的微型水平儀，使（shǐ）激（jī）光頭水平，且（qiě）射出的激光束與X軸運行方向基本平行。

3）將 X 軸滑台移動到離激光（guāng）頭最近的位置，在滑台上固定好反射鏡；調整磁力表座位置和高度，配合使用微型水（shuǐ）平儀與（yǔ）光靶，使（shǐ）反（fǎn）射鏡水平，且激光（guāng）正中光靶靶心。

4）利用（yòng）手輪緩（huǎn）慢移動滑台遠離激光頭，調整雲台的左右角度，使光點向相反（fǎn）方向偏離光靶中心大（dà）致相（xiàng）同的距離；移動滑台靠近激光頭，調整雲台的左右位置，使激光束正中反（fǎn）射鏡靶心。

5）重複過程 4），直至 X 軸移動過程中激光束始終擊中反射鏡（jìng）靶心（xīn）而不偏（piān）離，此時激光束（shù）與 X軸運（yùn）行方向已完全（quán）平行；去掉光靶，旋轉激光頭閘至工作位置，反射（shè）光束應（yīng）全部射入激光接收（shōu）孔，激光頭5個信號強度指示燈應至少點亮4個。

6）在激光頭與反射鏡之間的合適位置固定好分光鏡，將分光鏡（jìng）分光到（dào）反射鏡的一側用光靶蓋住（zhù），調整磁力表座位置（zhì）與高度，使分光鏡的反射光束完全射入激光頭接收（shōu）孔，且信（xìn）號強度指示燈至少點亮4個。

7）取下分光鏡分光到反射鏡一側的光靶，此（cǐ）時激光束應通過分光鏡至反射鏡，反射（shè）後光束再次回到分光鏡，並與分光鏡（jìng）上的反射光（guāng）束產生幹涉，幹涉（shè）光束被激光頭接（jiē）收，接收信號強度指示燈應至少點亮4隻。測量（liàng）準備工作完成。

圖1 測量X軸線性位移主要（yào）組件在（zài）機床（chuáng）上的基本布置圖

1.2 數據測量

激光幹涉儀安裝就（jiù）緒後（hòu），編寫專門用於數據測量的機床運行程序（xù），並設置好數據采集軟件，運行數控（kòng）程序，便可實現數據的自動采集。數據測量（liàng）前，應在數控係統中將反向（xiàng）間隙值設置為

0，即MD32450 BACKLASH[1]=0；禁止螺距誤差補償，即32700 ENC_COMP_ENABLE[1]=0 。

1.2.1 機床進給軸測量運行程序

機床 X 軸有效行程（chéng）為 1100 mm，絕（jué）對坐標位置為-450.000～+650.000，數據（jù）測量間隔為100 mm，每一行程共測量 11 個點（diǎn）的數據。故設置數控程序起始點（diǎn）為-400、終止點為600，每運行（háng）100 mm停止 4 s，等待激（jī）光幹涉儀采集數據；滑（huá）台（tái）運行到兩端後越程 4 mm 返（fǎn）回，共運行 5 次。數控（kòng）程序如下：

啟動數控程序，當滑台從-404 mm 運行到-400 mm位置、即在第一個GOF4處時，暫停程序，待設（shè）置好數據采集軟件後再開始運行（háng）。

1.2.2 線性位移數據采集與分析

啟動電腦上（shàng）的（de）線性測長軟件，按照提示的步驟，進行數據采（cǎi）集參數設置。設置（zhì）第一（yī）定位點0 mm、最終定位點1000 mm，間距值100 mm，精度為小數點後3位；設置測量定位方式為線性定位，測量次數為 5 次，方向為雙向（xiàng）；填寫測（cè）量時間、地點等（děng）信息；數據采集方式、停止周期、越程大小等為（wéi）缺省值。完成上述設置後，軟件自動（dòng）開（kāi）始測量（liàng），自動采集的第一個數據為 0.000 mm

。此時啟動數控程序，軟件便自動在每個暫停時間段采集相應的線性位移數值，直至全部 55 個點的數據采（cǎi）集完（wán）畢。

打開數據分析軟件，X軸線性測長誤差曲線如圖2所示（shì），其中橫（héng）坐標表示測量目標值、縱坐標表示（shì）實測值（zhí）與目標值的差值。

圖2 X軸線性測長誤（wù）差曲（qǔ）線

在“分析數（shù）據”菜單中選擇“ISO 230-2 1997統（tǒng）計（jì）數表”項，用軟件計算出實際的各項誤差值。可以得到，X軸反向間隙為（wéi）6.1 μm、重複（fù）定位精度為6.8 μm、定位精度為（wéi）31.4 μm。

2 、反向間隙補償與螺距誤差補（bǔ）償（cháng）

根據測（cè）得的實際誤差值，利用數據分析軟件，得到補償數據。在“分析數據”菜（cài）單中選擇“誤差補償圖表”，設置圖表類（lèi）型為（wéi）“均值補償”，補償類型（xíng）為“絕對值”，補償分辨率為0.001 mm，正負符號轉換為“誤差值”，補償起點為0、終點為1000 mm，間隔為 100mm。然後單（dān）擊“繪製誤差補償圖表”，得到軸反向間隙補償數據為-0.0004 mm。螺距誤差補償數據如（rú）表1所示。

表（biǎo）1 X軸螺距誤差補償數據

2.1 反向間（jiān）隙補償

根據上述誤差數據，將反向間隙補償（cháng）值輸入到（dào）數控係統中，即MD32450 BACKLASH[1]=-0.004，然後按 Reset，機床回參考點後反向間隙補償（cháng）生效。

2.2 螺距誤差補償

根據西門子（zǐ） 840D sl 數控（kòng）係統螺距誤（wù）差補償使用說明（míng），按如下步驟進行螺距誤差補償：

1）根據“誤差補償圖表”編製（zhì）補償文件，文件名為（wéi）X-BUCHANG.MPF，如表2所示。

表2 X軸誤差補償（cháng）文件

注：方括號內第 1 個“1”代表（biǎo）測（cè）量係統為（wéi）光柵尺、第 2 個（gè）數字代表補（bǔ）償點，“AX1”表示軸1，即X軸（zhóu）

2）計算補償點數（shù）N：

式中：Cmax表示補償位置坐標上限（xiàn），Cmin表示補償位置坐標下限，C 表（biǎo）示（shì）補償間距。

根（gēn）據（jù） X 軸實際（jì）情（qíng）況，其補（bǔ）償（cháng）點數 N 為 11。在數控係統中設置（zhì）參數 MD38000[1]=11，方括號中的“”表示（shì）機床采用光柵尺作為測量係統（tǒng）。修改參數MD38000時應注意數據備份。

3）設置參數 MD32700=0，將上述螺距誤差補償文件 X-BUCHANG.MPF 拷貝（bèi）到數控係統中，並執行一次；再將 MD32700 設置為 1，按複位鍵，機床回參考點，螺距（jù）誤差補償功能立即生。

3、誤差補償前後進（jìn）給軸位置精度對比

X 軸反向間隙補償和螺距誤差補償生效後，使用 XL-80 激光（guāng）幹（gàn）涉儀再次測（cè）量該軸的位（wèi）置（zhì）精度，其線性測長誤差曲線如圖3所（suǒ）示。

圖3 X軸誤差補（bǔ）償後線性測長誤差曲線

X 軸進行（háng）誤差補（bǔ）償前後（hòu），其位置精（jīng）度數值如表 3 所示，定位精度提高了 598%，重複（fù）定位精度提高了106%。該機床 Z 軸有效行程（chéng）範圍為−330～40 mm，設置補償初始位置為−300、終止位置為0，間距為50 mm，共補償（cháng） 7 個點（diǎn）。按照 X 軸補償方法（fǎ），對 Z軸進（jìn）行反向間隙補償與螺距誤差補償（cháng）。如表4所示，補償後定位精度提高了 165%，重（chóng）複定位（wèi）精度提高了111%

。

表3 X軸誤差補償前後位置精度對比

表4 Z軸誤差補償前後位置精度對比

4 、結束語

在新機床的裝配調試與舊機床的維護保養中，利用激光幹涉儀測量進給軸（zhóu）的位置（zhì）誤差，並在（zài）數控係（xì）統中進行反向間隙補償（cháng）和螺距誤差補償，能（néng）有效地提高進給（gěi）軸的位置精度。這項工作對提高加工質量、節（jiē）約經費（fèi）等（děng）具有重要意義。本文講述的機床進給軸位置誤差補（bǔ）償方法（fǎ）和過程具有普遍性（xìng），不同的測量方法、不同（tóng）的數（shù）控係（xì）統，均（jun1）能實現軟件誤差補償功能，應在機床的調試和（hé）維護中大力普及和推廣。

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