機床定位誤差測量及補償-數控機床市場網

機床定位誤差測（cè）量及補償

2013-9-13 來源：作者：陝西（xī）省行政學院計算機係楊永生

0 引言

數控機床由於可以根據輸入代碼自動完成對複雜共建輪廓的加工，越來越受到製造行業（yè）的重視。但是，機床（chuáng）在部件設計到裝配過程中，加工和裝配工藝等原因，造成機（jī）床本身存在誤差，導（dǎo）致加工零件輪廓與（yǔ）設計（jì）輪廓存在較大誤差（chà）。近年（nián）來（lái），隨著加工件精（jīng）度要求不斷提高，對機床的加工精度也提出了更高的要求，誤差補償技術在提高機（jī）床精度方麵起了重要的作用［1，2］。

對於三軸機床，存在21項幾何（hé）誤差［3］。每個（gè）運動軸存在3個方向的平移誤差、繞3個軸的旋轉（zhuǎn）角度誤差以及3個運（yùn）動軸（zhóu）間的垂（chuí）直度誤差。在這些誤差中，對機床精（jīng）度影響最顯（xiǎn）著的因素（sù）是移動軸在其運動方向（xiàng）的位置精度。

1 位置精度產生原因及評價

影響（xiǎng）機（jī）床（chuáng）運動軸運動方向的位置誤差主要有反向（xiàng）間隙和螺（luó）距誤差［4，5］。

反（fǎn）向間隙：絲杠和螺母之間存在一定的間隙，當正轉變為反轉時，在（zài）一定的角度內，盡管絲杠轉（zhuǎn）動，螺母需要在間隙消除後才能帶動工作台運動，這（zhè）個間隙成為反向間隙。反向間隙的存在會影響到機床的定位精度和重複（fù）定位精度，從而影響機床的性能。因此，為了得到良好的（de）動態運動特性，必須（xū）對其加以補償。

螺距誤差（chà）：機床的（de）滾珠絲杠的製造存（cún）在誤差，絲杠的螺距製造完成時並不是（shì）完全均勻（yún）的，在機床的使用過程中，經常加工某特殊外形的零件也會導致絲杠磨損不均勻，造成螺距的不均勻，由絲杠螺距造成的誤差稱為螺距誤差。螺距誤差對機床的定位精度會產生很大影響，當溫度（dù）變化時，絲杠的熱變形也會造成螺距誤差的變化，因此，對螺距誤（wù）差的補償是非常必（bì）要的。

關於定位精度與重複定位精度的評定方法，我國在（zài）《機床檢驗通則》第二部分“數（shù）控軸線的定位精度和重複定位精度的確（què）定（GB/T 17421.2-2000）”中給出了通過直線測量（liàng）機床的單獨軸（zhóu）線（xiàn）來檢驗和評定數控機床的定位精度和重複定位精度的方法（fǎ）。

位置偏差（chà）Xij，為運（yùn）動部件到（dào）達的實際位置Pij與目（mù）標位置Pi之差：Xij=Pij－Pi。式中，Pi為運動部件要（yào）達到的位（wèi）置，Pij為運（yùn）動部件第j次向第i個目標位（wèi）置趨近時實際測得的到達位置。

某一（yī）位置的單項平均（jun1）位置偏差Xi↑或Xi↓：

上（shàng）式表示由n次單向趨近某一位置Pi所得的位置偏差的算術平（píng）均值。某一位置的反向偏差Bi可以表示為：

Bi=Xi↑－Xi↓%

即從兩個方向趨近某一位置時兩單向平均位置偏差之差（chà）。軸（zhóu）線反相偏差為沿軸線或繞軸線（xiàn）的各個目標（biāo）位置的反向偏差的（de）絕對值Bi中的最大值：B=max［ Bi ］。

在（zài）某一位置的單向定位標準不確定度的估算值Si↑或Si↓：

2 位置誤差測量原理

測量機床定位精度的（de）儀器一般采用激光幹涉儀。

Renishaw的XL-80激光幹涉儀主要由以下部件組成：XL-80激光（guāng）頭，XC-80環境補償器及其傳感器，直線、角度測量光學組（zǔ）件，XL-XC USB電（diàn）纜組件，三腳架，以及LaserXLTM軟件。

激光幹涉（shè）儀對測試環境有較嚴格的要求，測試時，要求環境最好處於恒溫中，測試前需開機運行機床半小時左右，使（shǐ）機（jī）床各部件（jiàn）達到熱穩定，各進給軸處於較好（hǎo）潤滑效果，盡量避免空氣流動和潤滑不均造成測試精度的降低。

激光幹涉儀的安裝光路為激光頭—分光鏡—反射鏡，在測試過程中要確（què）保激光幹涉儀的光路與運動軸的軸線相平行，這（zhè）是激光幹涉（shè）儀調光的（de）基本準則。在調試時可選擇先調試反射鏡或分光鏡，其目的是保證被反射的光返回到激光（guāng）頭的接收（shōu）孔內（nèi），然後再放上（shàng）分光鏡或反射鏡，使幹涉光返回到激光幹涉儀的接收孔內（nèi），若（ruò）激光幹涉儀穩定亮起三（sān）盞以上的綠燈，則調光結束。兩列相互幹涉的光，當其中的一列光波向相對於另外一列（liè）光波移動時，在相幹光的某處相幹涉（shè）的明暗條紋間產生移動，且（qiě）明暗條紋出現的次數是兩列光相對移動的距離除以波長的二分之一的整數倍。激光通過分光鏡（jìng），光束一分為（wéi）二，一束射向一個固定（dìng）反射鏡（jìng）形成參考路徑，另（lìng）一束射向可移動的反射鏡形（xíng）成測量距徑。這（zhè）二反射（shè）鏡所（suǒ）反（fǎn）射的光，回到分光鏡內重新會合，合並成一道光束並產（chǎn）生幹涉條紋射至光電傳感器，傳感器感（gǎn）測出這些條紋（wén）的明暗變化，經由信號處（chù）理電路（lù）加以處理，即能計算出移動反射鏡所移動的距離。

3 定位誤差補償實驗及結果

數控係統一般自身帶有螺距誤差補（bǔ）償和反向間隙補償功能。用RenishawXL-80 激光幹涉儀對機床的定（dìng）位精度與重（chóng）複定位精度進行檢測，根據檢（jiǎn）測結果對其反向間（jiān）隙和螺距誤差進行（háng）補償。測（cè）量時，根據“機床檢測通則”，對每一進給軸，每米至少選擇5個目標位置（zhì）點，並（bìng）且在全程上至少也有5個（gè）目標位置。對本機（jī）床測量時， X、Y軸行程（chéng）均為600mm，測量間距取等距20mm，而Z軸因其行程較短，隻有300mm，測量間距取等距10mm，使得三進給軸均滿足目標位置點每米多於5個（gè）的要求（qiú）。根據公式（shì），可以求得誤差補償值。在補償（cháng）過程中，對（duì）於軸線雙向（xiàng）定位精度的補償方法，隻需要補（bǔ）償各點的位置誤差，不需要補償反向間隙；對於軸線單向定位精度補償的方法，位置誤差和反向間隙均需要補（bǔ）償。根據激光幹涉儀對機床的測量結果，將（jiāng）所（suǒ）得的各軸反（fǎn）向間隙寫入（rù）數控係統，並使反向間（jiān）隙有效，將絲杠的分段的螺距誤差生成數控加工補償程序寫入數（shù）控係（xì）統，即（jí）可完成反向間隙與螺距誤差的補償工作。

補償前，X軸定位精（jīng）度測量結果：均（jun1）偏（piān）差範圍M， 16.830；係統偏差E，17.260；單向重複（fù）R↑，5.127；單向重複R↓，4.548；反向差（chà）值B，1.240；定（dìng）位（wèi）精度A↑，20.367；定位精度A↓，20.452；定位精度A，21.073。補償前，Y軸定位（wèi）精度測量結果：均偏差範圍M， 24.650；係統偏（piān）差（chà）E，24.900；單向重複R↑，1.222；單向重（chóng）複R↓，1.514；反向（xiàng）差值B，0.500；定位精度A↑，25.229；定位精度A↓，25.778；定位（wèi）精度A，25.778。由於采用了滾珠絲杠和（hé）電機絲杠直接（jiē）連接，反向間隙在補償（cháng）前已經具有很高的精度，其（qí）偏差值較小（xiǎo），電機經聯軸器直接與（yǔ）絲杠（gàng）相連接的安裝方式具有較（jiào）小的反向間隙。經實驗驗證，反向間隙補償（cháng）效果不顯著，甚至（zhì）會產生微（wēi）小上浮量，因此在本機床隻對螺（luó）距誤差進行補償。補償後（hòu），X軸定位精度測量結果：均偏差（chà）範圍M， 1.900；係統偏差E，2.600；單向重複R↑，2.663；單向重複（fù）R↓，1.665；反向差值（zhí）B，1.433；定位精度A↑，3.456；定位精度（dù）A↓，3.194；定位精度（dù）A，4.005。補償後（hòu），Y軸定位精（jīng）度測量結果：均（jun1）偏差範圍M， 4.933；係統偏（piān）差E，5.400；單向重複R↑，0.924；單向重調度指令，調（diào）度權可暫時下移至（zhì）大集控中心，由大（dà）集（jí）控負責在此時（shí）間（jiān）段內管理設備操作（zuò），操作完畢調度（dù）權收回調度部門管理，對於簡單事故異常處理（如某變電站電壓互感（gǎn）器高（gāo）壓保險熔斷、無重要用戶的係統單相（xiàng）接地等）也可參照此方案執行。