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數控機床進給軸位置精（jīng）度的測量與優化

2021-3-8 來源：武警海警學（xué）院機電（diàn）管理係作者：楊少兵陳忠維

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

關（guān）鍵詞數控機床；進給軸位置精度；激光幹涉儀；反向間隙補償；螺距誤差補償

數控機床加工精度主要（yào）由加工刀具與工（gōng）件間穩固的（de）相對位置決定，而（ér）進給軸位（wèi）置精度（dù）是刀具與工件相對位置的基本決定因素。因此，提高機床（chuáng）進給軸的位置精度，對提高工件的加工品質具有重要意義。機床進給（gěi）軸的（de）位置精度主（zhǔ）要表現在滾珠絲杠反向間隙、直線運動軸定位精度及重複定位精度 3 個方麵。在機床裝配調試與運行管理維護（hù）過程中，通常使用數控係統（tǒng）軟件補償（cháng）方式（shì），以消除因零部件製造誤差、裝配誤差、運行磨損（sǔn）等引起的進給軸直線運動位置誤差，如反（fǎn）向間隙、螺距誤差等，進而提（tí）高進給軸（zhóu）的位置精（jīng）度。

本文以某型（xíng）配備西門子 SIMUMERIK840D sl 係統的機床為研究對象，其數控係統配備PCU 50.5-C控（kòng）製單元、NCU 710.2數控單（dān）元；進給軸 X 有效行程為 1100 mm，測量裝置為海德漢LS187C-1340型光柵尺；Z軸有效行程為370 mm，測量裝置（zhì）為海德漢 LS187C-440 型光柵尺。在其精度調試過程中，使用雷尼紹 XL-80 型激光幹（gàn）涉（shè）儀實現（xiàn）對直線運動軸 X 與運（yùn）動位置（zhì）精度（dù）的測

量；基於（yú）對應的運行誤差數據（jù），求得相應進給軸滾珠絲杠的反向間隙（xì）補償值和螺距誤差補償值，並在數控係統中對反（fǎn）向間隙和螺距誤差進行軟件補償，以實現提高X、Z軸位置精度的目的。

1 、進給（gěi）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件測量進給軸的位置誤差，主要（yào）包括激光頭、補償器、帶雲台的三腳架及線性測量鏡組。線性測量鏡組（zǔ）主（zhǔ）要由分光鏡（jìng）、線（xiàn）性（xìng）反射鏡及光靶組成。數據采集與分析分別使（shǐ）用專用的（de）線性測長軟件與數據分析軟件。下麵以X軸為（wéi）例，介紹進（jìn）給軸（zhóu）位（wèi）置誤差測量（liàng）。

1.1 激光幹涉儀測量準備

測量 X 軸線性位移時，主要測量組件在機床上（shàng）的基本（běn）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（háng）方向前方穩固地架設好三腳架與（yǔ）雲台，在雲台上固（gù）定好激光頭，調整位姿微調旋鈕，使各個方向的調整行程處於中間位置。

2）連接好激光頭電（diàn）源及溫度、濕度傳（chuán）感器，打開電（diàn）源開關，轉動激光頭光閘，使射出的激（jī）光束（shù）最細（xì）；調節三（sān）腳架位置與（yǔ）腳的高度，配合使用係統自帶的微（wēi）型水平儀，使（shǐ）激光頭水平，且射出的激光束與X軸運行方向基本平行（háng）。

3）將 X 軸滑台移動到離（lí）激光頭最近的位置，在滑台上固定好反射鏡；調整（zhěng）磁力表座位（wèi）置和高度，配合使（shǐ）用微型水平儀與光靶，使（shǐ）反射鏡水平，且激光正中光靶靶心。

4）利用手輪緩慢（màn）移動滑台遠離激光頭，調整雲台的左右角（jiǎo）度，使光點向相反方向偏離光靶（bǎ）中心大致（zhì）相同的距離；移動滑台靠近（jìn）激光頭，調整雲台的左右位（wèi）置，使激光束正中反射鏡靶心。

5）重複過程 4），直至 X 軸移動過（guò）程中激光束始終擊（jī）中反射鏡靶心而不偏離，此時激光束（shù）與 X軸（zhóu）運行方向已完全平行（háng）；去掉光靶，旋轉激光頭閘至（zhì）工作位置，反射光束應全部射入激光接收孔，激光頭5個信號強度指示燈應至（zhì）少點亮4個。

6）在激光頭（tóu）與反射鏡之間的合（hé）適（shì）位置固（gù）定好分光鏡（jìng），將分光鏡分光到反射鏡的一（yī）側用光靶蓋住，調整磁力表座位置與（yǔ）高度，使分光鏡的反射光束完全射入激光頭接收孔，且信號強度指示（shì）燈至少點亮（liàng）4個。

7）取下分（fèn）光鏡分光到反射鏡一側的光靶，此時（shí）激光（guāng）束應（yīng）通過分光鏡至（zhì）反射鏡，反射後光束再次回到分光鏡，並與分光鏡上的反射光束產生幹涉，幹涉光束被激光頭接收，接收信號（hào）強度（dù）指示燈應至（zhì）少點亮4隻。測（cè）量準備工作完成。

圖（tú）1 測量X軸線性位移主要組件在機床上（shàng）的基本布置圖

1.2 數據（jù）測量（liàng）

激光幹涉儀安裝就緒後，編寫專門（mén）用於數據測量的機床運行程序，並設置好數據采集軟件（jiàn），運行數控程（chéng）序（xù），便可實現數據的（de）自動采集。數據測量前，應（yīng）在數控係統中將反向間隙值設置為

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

1.2.1 機床進給軸（zhóu）測量運行程序

機（jī）床 X 軸有效行程為 1100 mm，絕對坐標位置為-450.000～+650.000，數據（jù）測量間隔為100 mm，每一行程共測量 11 個點的數據。故設置數控程序起始點為-400、終（zhōng）止點為600，每運行（háng）100 mm停止 4 s，等待激光幹（gàn）涉儀采集數（shù）據；滑台運行到兩端後越程 4 mm 返回，共運行 5 次。數控程序如下：

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

1.2.2 線性位移數據采集（jí）與分析（xī）

啟動電腦上的線性測（cè）長（zhǎng）軟件，按照提示的步驟，進（jìn）行數據采集參數設置（zhì）。設置第一定位點0 mm、最終定位（wèi）點1000 mm，間距值100 mm，精（jīng）度為小數點後（hòu）3位；設置測量定位（wèi）方式為線（xiàn）性定位，測量（liàng）次（cì）數為 5 次，方向為雙向；填寫測量時間、地點（diǎn）等信（xìn）息；數據（jù）采集方式、停止周期、越程大（dà）小（xiǎo）等為缺省值。完成上述設置後，軟件自動開始測（cè）量，自動采集的第一個數據為 0.000 mm

。此時啟動數（shù）控程序，軟件便自動在每個暫停時間段采集相應（yīng）的線性位（wèi）移數值，直至全（quán）部 55 個點的數據采集完畢。

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

圖2 X軸線性測長誤差曲線

在“分析數據（jù）”菜單中選擇“ISO 230-2 1997統計數表”項，用軟（ruǎn）件計算（suàn）出實際的各項誤（wù）差值。可以得到，X軸反向間隙為6.1 μm、重複定位精度為6.8 μm、定位精度（dù）為31.4 μm。

2 、反向間（jiān）隙補償（cháng）與螺距誤差補（bǔ）償

根據測得的實際誤差（chà）值，利用數據分析軟件，得（dé）到補償數（shù）據。在“分析數據”菜單中選擇“誤差（chà）補償圖表”，設置圖表類型為“均值補償（cháng）”，補償類型為“絕對值（zhí）”，補償分（fèn）辨率為0.001 mm，正負符號轉換為“誤（wù）差值（zhí）”，補償起點為（wéi）0、終點為1000 mm，間隔為 100mm。然後單擊“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（chà）補償數（shù）據如表1所示（shì）。

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（shù）據，將反向間隙（xì）補（bǔ）償值輸入到數控（kòng）係統中，即MD32450 BACKLASH[1]=-0.004，然後按 Reset，機床回參考（kǎo）點後（hòu）反向間隙補償生效（xiào）。

2.2 螺（luó）距誤差補償（cháng）

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

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

表2 X軸誤差補償文件

注：方括號（hào）內第 1 個“1”代表測量係統為（wéi）光柵尺、第 2 個數字代（dài）表補償點（diǎn），“AX1”表示軸1，即X軸

2）計算補償點數N：

式中：Cmax表示補償位置坐標上限，Cmin表示補償位置坐標（biāo）下（xià）限，C 表示補償間距。

根據 X 軸實際情況，其補償點數 N 為 11。在數控係統中設置參數 MD38000[1]=11，方（fāng）括（kuò）號中的“”表示機（jī）床采用（yòng）光柵尺作為測量係統。修改參數MD38000時應（yīng）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 拷貝到數控係統中（zhōng），並執行一次；再將 MD32700 設置為 1，按複位鍵，機（jī）床回參考點，螺距誤差補（bǔ）償功（gōng）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（jù）誤（wù）差補償（cháng）生效後，使用 XL-80 激光幹涉儀再次測量該軸的（de）位置精（jīng）度，其線性測長誤差曲線如圖3所示。

圖3 X軸誤差補償後線性測長誤差（chà）曲線

X 軸進行誤差補償前後，其（qí）位（wèi）置精度數值如表 3 所示，定位精度提高了 598%，重（chóng）複定（dìng）位精度提高了106%。該機床 Z 軸有效行程範（fàn）圍為−330～40 mm，設置（zhì）補償（cháng）初始位置為−300、終止位置為0，間距為50 mm，共補償（cháng） 7 個點。按照 X 軸補償方法，對 Z軸進行反向間隙（xì）補償與螺（luó）距誤差補償。如表（biǎo）4所示，補償後定位精度提高了 165%，重複定位精度提高了111%

。

表3 X軸誤（wù）差補償前後位置精度對比

表4 Z軸誤（wù）差補（bǔ）償前後位置精度對比

4 、結束語

在（zài）新（xīn）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（jìn）給軸的位置誤（wù）差（chà），並在數控係統中進（jìn）行反向間隙補償和螺距誤（wù）差補償，能有效地提高進給軸的位置精度（dù）。這（zhè）項工作對提高加工質量、節約經費等具有重要（yào）意義。本文講述的機床進給軸位置誤差補償方法（fǎ）和過程具有普遍性，不同的測量方法、不同的數（shù）控係統（tǒng），均能實現軟件誤差補償功能，應在機床（chuáng）的調試和維護中大力普及和推廣。

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