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數（shù）控機床進給軸位置精度的測量與優化

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位置精（jīng）度對加工（gōng）精（jīng）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（kòng）車（chē）床X、Z軸的定位誤差數據，利用軟件分析（xī）得到（dào）反向間隙補償值和螺距誤差補償值，並在西門子840D sl數控係統中進行反向間（jiān）隙補償和螺（luó）距誤差補償；兩進給軸誤（wù）差補償前後位置精度的實際測量結果表明，其定位精度和重複定位精度得到了顯（xiǎn）著的提高。

關鍵詞數控機床；進給軸位置精（jīng）度；激光幹涉儀；反向間（jiān）隙（xì）補償；螺距誤差（chà）補償

數控機床加（jiā）工精度主要由（yóu）加工刀具與工件間穩固的相對位（wèi）置決定（dìng），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（jī）床進給軸的位置精度，對提高工件的加工（gōng）品質具有重要意（yì）義。機床進給軸的（de）位置精（jīng）度主要表現在滾珠絲（sī）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（shì）與運行管理維護過程中（zhōng），通常使（shǐ）用數（shù）控係統軟件補償方式，以消除因零部件製造（zào）誤（wù）差、裝配誤差、運行磨損等引起（qǐ）的進給軸直（zhí）線運動位置誤差，如反向間隙（xì）、螺距誤差等，進而提高（gāo）進給軸的位置精度。

本文以某型配備西門子 SIMUMERIK840D sl 係統的機床為（wéi）研究對象，其數控係統配備PCU 50.5-C控製單元、NCU 710.2數控單元（yuán）；進給軸 X 有效行程為 1100 mm，測量裝置為（wéi）海德（dé）漢LS187C-1340型光柵（shān）尺；Z軸有效行程為370 mm，測量裝置（zhì）為海德漢（hàn） LS187C-440 型光柵（shān）尺。在（zài）其精度調試過程中，使用雷尼紹 XL-80 型激（jī）光幹涉儀實現對直線運動軸 X 與運（yùn）動位置（zhì）精度的測（cè）

量；基於對應的運行誤差數據，求得相應進給軸（zhóu）滾珠（zhū）絲杠（gàng）的反向間隙補償值和螺距誤差補償值，並在數（shù）控係統中對反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 、進給軸位置誤差測量

使用激光幹（gàn）涉儀XL-80測量係統的線性測（cè）長組件測（cè）量進給軸的位置誤差（chà），主要（yào）包括激（jī）光頭（tóu）、補償器、帶雲台的三腳架及線性測量鏡組。線性測量鏡組主要由分光鏡、線性反射鏡及光靶組成。數（shù）據采集與分析分別使用專用的線性測長（zhǎng）軟件與（yǔ）數據分析軟件。下麵（miàn）以X軸（zhóu）為例，介紹進給軸（zhóu）位置誤差測（cè）量。

1.1 激光幹涉儀測量準備

測（cè）量 X 軸（zhóu）線性位移時，主要測量組件（jiàn）在機床上的基本布置（zhì）如圖1所示。應先做（zuò）好測量前的準（zhǔn）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（yún）台，在雲（yún）台上固定好激光頭，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（jiē）好（hǎo）激光頭電源及溫度、濕度傳（chuán）感器，打開電源開關，轉動（dòng）激光頭光閘，使射出的激光束最細（xì）；調節三腳架位置與腳的高度，配合使（shǐ）用係統自帶的微型（xíng）水平儀，使激光（guāng）頭水平（píng），且（qiě）射出的（de）激光束與X軸運行方（fāng）向基本平行。

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

4）利用手輪緩慢移動滑台遠離激光頭，調整雲台的左右角度，使光點向相（xiàng）反方向偏離光靶中心大致相同的距離；移動滑台靠近激光頭，調整雲台的左右位置，使（shǐ）激光束正中反射鏡靶心。

5）重複過程 4），直至 X 軸移動（dòng）過程中激光束始終擊中（zhōng）反射鏡（jìng）靶心而不（bú）偏離，此時激光束與 X軸運行方向已（yǐ）完全平行；去掉光（guāng）靶，旋轉激光頭閘至工作位（wèi）置，反射光束應全（quán）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（guāng）頭與反射（shè）鏡（jìng）之間的合適位置固定好分（fèn）光鏡，將分光鏡分（fèn）光到反射鏡的一側用光靶蓋住，調整磁力表座位置與高度（dù），使分光鏡的反射光束（shù）完全（quán）射入（rù）激光頭接收孔，且信號強度指示燈至少點亮4個。

7）取下分光鏡分（fèn）光到反射鏡一側的光靶，此時激光（guāng）束應通過分光鏡至反射鏡（jìng），反射後光束再次回（huí）到分光鏡，並與分光鏡上的（de）反射光束產生幹涉，幹（gàn）涉光束被激光頭接收，接收信號強度指示燈應至少點亮4隻。測（cè）量準備工（gōng）作完成。

圖1 測量X軸線性位移主要組件在機床上（shàng）的基本（běn）布置圖

1.2 數據測量

激光幹涉儀安裝就緒後，編寫專門用於數據測量的機床運行程序，並設置好數據采集軟件，運行（háng）數控程序，便可實現（xiàn）數據的自動采集。數據測量前，應在數控係統中將反（fǎn）向間隙值（zhí）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 軸有效行程為 1100 mm，絕對（duì）坐（zuò）標（biāo）位（wèi）置為-450.000～+650.000，數據（jù）測量間隔為100 mm，每一行程共測量（liàng） 11 個點的數據。故設置數控程序起始點為-400、終（zhōng）止點（diǎn）為600，每（měi）運（yùn）行100 mm停止 4 s，等待激光幹（gàn）涉儀采集數（shù）據；滑台（tái）運行到兩端後越程 4 mm 返回，共運行 5 次（cì）。數控程序如下：

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（zàn）停程序，待設置好數（shù）據采集軟件後再開始運行。

1.2.2 線性位移數據（jù）采（cǎi）集與分析

啟動電腦上（shàng）的線性測長軟件，按照提示的步驟，進行數據采集參數設置。設置第（dì）一定位點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（zhì）測量定（dìng）位方式為線性定位，測量次數為 5 次（cì），方向為雙向；填（tián）寫測（cè）量時間、地點（diǎn）等信（xìn）息；數據采集方（fāng）式、停止周期、越程大小等為缺省值。完成（chéng）上述設置後，軟件自動開始測量，自動采集的第一個數據（jù）為 0.000 mm

。此時啟動數控程序，軟件便自動在每個暫停時間（jiān）段采集相（xiàng）應的線性位移（yí）數值，直至全部 55 個點的數據采集（jí）完畢。

打開數（shù）據（jù）分析軟件，X軸線性測（cè）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（mù）標值的差值。

圖2 X軸線性測長（zhǎng）誤差曲（qǔ）線

在“分析（xī）數據”菜（cài）單中選擇“ISO 230-2 1997統計數表”項，用軟件計算出實際的各項誤差值。可以得到，X軸反向間（jiān）隙為6.1 μm、重複定位精度為6.8 μm、定位精度為31.4 μm。

2 、反向間隙補償與螺距誤差（chà）補償

根據測（cè）得（dé）的實際誤差（chà）值，利用數據分析軟件，得到補償（cháng）數據。在“分析數據”菜（cài）單中選擇（zé）“誤（wù）差（chà）補償圖表”，設置（zhì）圖表類型為“均值補償”，補償類型為“絕對值”，補償分辨（biàn）率為0.001 mm，正（zhèng）負符號轉換為（wéi）“誤差值”，補償起點為（wéi）0、終點為1000 mm，間隔為（wéi） 100mm。然後單擊“繪製誤差補償（cháng）圖表”，得（dé）到軸反向間隙補償數據為-0.0004 mm。螺距誤差補償數據如表（biǎo）1所示。

表1 X軸螺（luó）距誤差補償數據

2.1 反向間隙補償（cháng）

根據上述誤差（chà）數據，將（jiāng）反（fǎn）向間隙補償值輸入到數控係統中，即MD32450 BACKLASH[1]=-0.004，然後按（àn） Reset，機床（chuáng）回參考點後反向間隙補償生效。

2.2 螺距誤差補償

根據西門（mén）子 840D sl 數控（kòng）係統螺距誤差補償使用說明，按如下步驟進（jìn）行螺距誤差補償：

1）根據（jù）“誤（wù）差補償圖（tú）表”編製補償文件，文件名為X-BUCHANG.MPF，如表2所示。

表2 X軸誤差（chà）補償文件

注：方括號內（nèi）第 1 個“1”代表測量係統為光柵尺、第 2 個數字代表補償點，“AX1”表示（shì）軸1，即X軸

2）計算補償點數（shù）N：

式中：Cmax表示補（bǔ）償位置坐標（biāo）上限，Cmin表示補償位（wèi）置坐標下限，C 表示補償間距。

根據 X 軸實際情況（kuàng），其補償點數 N 為 11。在數控係統中設置參數 MD38000[1]=11，方括（kuò）號中的“”表示機床采用光柵尺作為測量係統。修改（gǎi）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（kǎo）貝到數控係統中，並執行一次；再將 MD32700 設置為 1，按複位鍵，機床（chuáng）回參考點，螺距誤（wù）差補償功能立即生。

3、誤差補償前後進給（gěi）軸位置精度對比

X 軸反向間隙（xì）補償和螺距誤差補償生效後，使用 XL-80 激光幹涉儀再次測量該軸（zhóu）的位（wèi）置精度，其線性測長誤差曲線如圖3所示（shì）。

圖3 X軸誤差補償後線性測長誤差曲（qǔ）線

X 軸（zhóu）進行誤差（chà）補償前後，其位置精度數值如表 3 所示，定位精度提高了 598%，重複定位精度提高了106%。該機床 Z 軸有（yǒu）效行程範（fàn）圍為−330～40 mm，設置（zhì）補（bǔ）償初始位置為（wéi）−300、終止位置（zhì）為0，間距為50 mm，共補償 7 個點。按照 X 軸補償方法，對 Z軸進行反向間隙補償與螺距誤差補償。如表4所示，補償（cháng）後（hòu）定位精度提高了 165%，重複定（dìng）位精度提高了111%

。

表3 X軸誤差補償前後位（wèi）置精度對比

表4 Z軸誤（wù）差補償前後位置精度對比

4 、結束（shù）語

在新機（jī）床（chuáng）的裝配調試與舊機床的維護保養中，利用（yòng）激光幹涉儀測（cè）量進給軸的位置誤（wù）差，並在數控係統中進行反向間隙補償和螺（luó）距誤差補償，能有效地提高進給軸的位置（zhì）精度。這項（xiàng）工作對提高加工質量、節約經費等具有重要意義。本文講述的機（jī）床進給軸位置誤差補償方法和過程具有普遍性，不同的測量方法、不同的數控係統，均能實（shí）現軟件（jiàn）誤差補償功能，應在機床的調（diào）試和維護中（zhōng）大力普及（jí）和推（tuī）廣。

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