数控机床精度检测补偿

2024-06-30

数控机床精度检测补偿（精选7篇）

数控机床精度检测补偿篇1

1 引言

随着制造业的发展, 数控机床这种高效的自动化设备, 在很多领域都得到广泛应用。机床在长期的使用中自身精度也需要定期校准[1]。目前, 对机床的周期性精度检查, 远远滞后于数控机床的普及速度[2]。事实上, 为求得机床最好的性能, 合理安排检测周期至关重要, 这就需要大量专业人员和精密的测量设备。因此, 维护目前企业中在役数控机床急需大量掌握精密测量技术人员。

为社会培养所需人才是高校的使命。近年来, 高校加大了科研平台建设, 增添了一些具有高新性能的尖端科研设备。因此, 利用学校现有的科研平台, 使用激光干涉仪和球杆仪, 进行精度检测和误差补偿实验研究, 可通过测试实验提高学生的测试技能和动手能力。

2 位置精度对加工精度的影响分析

数控机床作为工业母机, 它的精度指标直接影响到加工精度。因此, 如何提高数控机床精度备受关注。

数控机床的位置精度[3]是指所测机床运动部件在数控系统控制下运动时所能达到的位置精度。包括定位精度、重复定位精度、反向间隙等。其中, 反向间隙的存在会影响到机床的定位精度和重复定位精度, 从而影响机床的性能。

数控机床的加工精度是在切削加工条件下对机床精度的综合反应。加工精度的高低, 直接反映机床位置精度的高低。本文以孔系加工说明机床位置精度对加工精度产生的重要影响。

当加工位置精度要求较高的孔, 如图1所示, 在一个零件上精镗4个孔, 图1 (a) 顺时针方向加工4个孔, 图1 (b) 是在加工完3孔后不直接在4孔处定位, 而是多运动了一段距离, 然后折回来在4孔处进行定位。对图1 (a) 由于4孔与1、2、3孔的定位方向相反, X向的反向间隙会使定位误差增加, 从而影响4孔与3孔的位置精度。图1 (a) 中的1、2、3孔和4孔的定位方向是一致的, 4孔的加工就可以避免反向间隙误差的引入, 从而提高3孔和4孔的孔距精度。这是坐标轴反向间隙的存在对孔加工位置精度的直接影响。

为了提高定位精度并消除或减小反向偏差, 对数控机床反向偏差和定位精度的检测与补偿是提高加工精度、保证产品质量的有效途径。因此, 使用双频激光干涉仪作为数控机床精度检测的重要设备, 对学校精密测量实验研究做进一步扩展, 使用干涉仪最常见的线性测量功能, 进行位置精度检测与误差补偿实验。

3 实验原理与实验条件

3.1 ML10激光干涉仪测量原理

雷尼绍ML10激光干涉仪是一种检测线性误差的高精度仪器, 其布局及测量原理如图2所示[4,5,6], 雷尼绍ML10激光干涉仪检测机床线性定位精度差时, 由激光发射器谐振腔发出的氦氖激光束激光头发出一束单频激光波, 在真空状态下, 当此光束抵达偏振光分光镜, 会被分成两道光束f1、f2, f1经线性干涉镜上的反射镜反射回激光头, f2经另一个线性反射镜反射回激光头, 通过激光头的干涉条纹计数电路来确定两个反射镜间的距离变化, 并与被测机床的光栅读数相比较来确定定位精度和重复性误差。

3.2 实验条件

使用ML10激光干涉仪及其组件对学校数控车间的加工中心进行精度测量。激光干涉仪对测试环境有较严格的要求, 根据加工中心的实际尺寸制定了实验的具体条件:

测量环境及温度:尽量避免空气流动, 温度控制在20℃±5℃;

机床运行:先预热机床2h左右, 使机床各部件达到热稳定, 提高温度测量的准确度;

传感器位置:材料温度传感器放置在导轨上, 大气温度、压力及湿度传感器放在分光镜和反射镜间靠近光线的地方;

目标点及停留情况:加工中心检测行程为1m, 选定10个目标位置点, 平均间隔p=100mm, 往返检测3次, 采集间隔为4s。

4 测量方法

采用ML10激光干涉仪。其组成包括:ML10激光器、光学镜组、三角架、PCM10控制接口卡、EC10环境补偿器、分析软件等, 测量布局如图3所示。测量方法: (1) 将双频激光干涉仪测量系统安装在主轴上。 (2) 根据需测量的机床坐标轴线方向, 在地面上安装三脚架, 并将激光头安放在三脚架上。 (3) 测量反射镜放置在机床工作台上, 干涉镜放置在激光器与反射镜之间的光路上。调整激光头, 使双频激光干涉仪的光轴与机床移动的轴线尽量在一条直线上, 即将光路调准直。 (4) 待激光预热后输入测量参数。 (5) 根据测量条件, 制定测量程序 (O0123) , 运动机床进行测量, 检测时, 机床沿着轴线运动到规定的10个目标位置, 并在各目标位置停留3s, 计算机系统自动采集数据, 重复测量3次, 计算出测量误差。根据测量误差判断定位精度和反向间隙是否超差, 补偿后再次进行精度测试, 直到各项指标符合技术要求。 (6) 结果输出, 出具检测报告。

测量程序:

操作注意事项: (1) 注意激光干涉仪各个环境传感器的摆放位置和膨胀系数的设置, 因为这些因素直接影响激光的波长; (2) ML10激光束必须调整到与运动轴平行; (3) 不要让光束直射或反射到操作者的眼睛。

5 结语

数控机床的定期精度检查, 可以改善使用中的机床精度, 提高加工零件的质量。通过精度检测与补偿技术的实验, 在培养学生掌握测试技能独立工作的能力方面具有一定的积极作用。

参考文献

[1]赵宏立.FANUC数控机床螺距误差的检测分析与应用[J].机械工程师, 2010 (5) :38-40.

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[3]李凯岭.机械制造技术基础[M].北京:清华大学出版社, 2011.

[4]曹利波.利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测[J].红外与激光工程, 2008, 37 (4) :200-202.

[5]杨永生.机床定位误差测量及补偿[J].自动化应用, 2011 (3) :51-55.

[6]康榜联, 等.数控机床定位精度的检测及补偿[J].中国制造业信息化, 2008 (11) :63-65.

数控机床位置精度的检测与补偿篇2

目前数控机床位置精度检验标准主要采用国际标准 (IS0230-2) 或 (国家标准GBl0931-89) 或国际上公认的VDI3441标准等。同一台机床检测时如果采用了不同的标准, 可能会得到不同的位置精度值, 因此要注意根据需要选择相应标准的数控机床的精度指标, 或者参考数控机床购买合同技术书上注明的验收标准。

下面具体探讨应用激光干涉仪对数控机床的几何精度以及各数控轴的反向偏差和定位精度的检测。

1 激光干涉仪检测数控机床精度的原理及方法

激光干涉仪的工作原理是在氦氖激光器上添加一个约0.03特斯拉的轴向磁场。根据塞曼分裂效应和频率牵引效应, 激光器会产生出“1”和“2”两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。其中一路在经过了偏振分光镜后又分成了仅含有f1的光束和仅含有f2的光束。当可移动反射镜发生位移的时侯, 含有f2的光束在经过可移动反射镜的反射后成为含有f2±Δf的光束 (Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率, 正负号表示移动方向) 并与由固定反射镜反射回来的, 仅含有f1的光束在经过偏振片2后会合成为测量光束f1- (f2±Δf) 。测量光束和参考光束f1-f2经过各自的光电转换组件、放大器组件、整形器组件后进入减法器相减后输出, 成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后, 进行当量换算 (乘1/2激光波长) 后, 即可得出可动反射镜的位移量。

双频激光干涉仪的优势除了精确度高, 还表现在其是应用频率变化来测量位移的, 这种位移信息载于f1和f2的频差上, 对由光强变化引起的直流电平变化不敏感, 所以抗干扰能力强。

测量方法:将双频激光干涉仪安装在需测量的机床坐标轴线方向使双频激光干涉仪的光轴与需要测量的轴线在一条直线上, 然后安装与其搭配的光学测量装置。在光头预热后输入测量参数后按规定的测量程序运动机床进行测量。

2 反向偏差的检测

在数控机床上各坐标轴进给传动链上, 由驱动部件存在反向死区以及副反向间隙等误差, 而形成的各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差, 称为反向间隙或矢动量。反向偏差会影响到采用半闭环伺服系统数控机床的定位、重复定位精度, 对产品的加工精度产生负面影响。比如反向偏差会降低GO1切削运动时插补刀运动的精度, 甚至造成“圆不够圆, 方不够方”的情形。而在G00快速定位运动中, 反向偏差会使“孔加工”时各孔间的位置精度降低。同时, 随着设备投入运行时间的增长, 磨损造成运动副间隙的逐渐增大, 反向偏差还会而增加, 因此必须定期检测数控机床各坐标轴的反向偏差并进行补偿。

除了使用双频激光干涉仪对直线运动轴的反向偏差进行测量外测量设备也可以采用千分表或百分表。当采用千分表或百分表进行测量时注意表座和表杆如果伸出过高过长有些情况下会使表座受力移动, 测量时容易造成计数不准而影响补偿值真实度。为了能使测量过程变得更便捷更精确, 在测量前通常在所测量数控机床坐标轴的行程内先移动一个距离设置为基准点, 再输入指令在相同方向移动一段距离, 然后再往相反方向移动相同的距离, 测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次检测 (一般为七次) 并分别计算三个位置上的平均值, 其中的最大值为反向偏差测量值。需要特别注意测量之前一定要先移动一段距离, 否则无法得到正确的反向偏差值。

3 定位精度的检测

数控机床的定位精度是指所数控机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的坐标位置精度, 即轴在其行程内任意点的定位稳定性, 其中涵盖了分散度, 一般双向取值。机床的定位精度、再定位精度和几何精度是决定数控机床切削作业和孔作业精度的最重要参数之一, 尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。定位精度可以决定数控机床的最高加工精度, 由此可见对数控机床进行定位精度检测和补偿的重要性, 数控机床定位精度检测主要包括直线运动精度位置 (包括X, Y, Z, U, V, W轴向) 、直线运动重复定位精度、直线运动失动量测定、直线运动返回原点精度测定、回转运动定位精度 (转台A, B, C轴) 、回转运动重复定位精度、回转运动返回原点精度、回转运动失动量测定。

利用双频激光干涉仪对机床进行定位精度检测和处理分析方法如下图所示。

4 几何精度的检测

数控机床的几何精度是指关键机械零部件 (如工作台, 主轴等) 的几何形状误差或者其组装再调整后的几何形状误差, 包括工作台的水平程度和台面的平面程度, 工作台主轴在各坐标方向上移动的相互垂直度、平行度, 主轴的同轴率、主轴沿轴向位移垂直度、平行度。

数控机床的几何精度的检测方法与普通机床的类似但是检测要求更加严格。数控机床的几何精度检测之前应该确保机床的基座已经完全固化完毕, 在检测时要尽量提高检测精度并减小使用检测工具 (比如:因为数控机床精度本来就高于传统的普通机床, 因此应该使用专业检测工具检测) 和因为检测方法 (被测数控机床在精调后一次检测完成, 不可以多次调解多次测量, 导致几何精度值相互关联从而影响检测的真实度) 所产生的误差, 检查前还要对数控机床进行预热, 并控制主轴沿个轴向往复运动, 在主轴以中速稳定运行数分钟以后再进行检测。检测大型数控机床的几何精度参数时必须实施载负荷检测, 通过在有负荷状态下各机构运动以及工作时机床运动机构的平稳度、精准度等可靠性参数达标情况决定机床是否达到设计时规划的承载能力以及对各项高精度参数满足情况。

5 结论

我国现代化工业和数控机床还正处在向高精度转型阶段, 但是在提高精度的时, 对于消除各项误差 (如:热误差、主轴制造和各部件应力误差) 的方法还并不完善。特别是对于热误差, 其可占数控机床加工精度总误差的70%。因此对于数控机床的精度检测和相关精度补偿就尤为重要, 使数控机床的可编程以及高精度优势得到更充分和更广泛的应用。

摘要：现代数字精密加工技术已经成为当前主流加工技术, 精度成为现代工业最重要的技术要求。为此, 在数控机床上对数控机床位置精度进行检测和补偿是提高数控机床的工作精度最直观有效的途径。本文主要介绍当前数控机床上常用的几种误差测量方法与仪器的原理。

数控机床精度检测补偿篇3

关键词：激光干涉仪,数控机床,精度检测,误差补偿

引言

数控机床的加工精度由刀具与工件之间的相对位置决定, 影响因素多, 而机床的动态误差是最主要的影响因素。提高精度主要有两种方式。一是硬件方法, 即提高机床部件的加工和装配精度。此方法不仅受到加工机床精度等级的制约, 而且随着加工精度的提高, 加工成本呈指数增长, 效益不高。二是软件方法, 该方法通过使用激光干涉仪采集机床的定位精度, 在利用机床系统的误差补偿, 对机床定位和重复定位精度进行补偿, 从而达到提高机床精度的效果[1]。针对沈阳工业大学与石家庄纺织机械有限公司合作研发的GCMT2500复合式数控机床, 本文采用雷尼绍XL-80型号激光干涉仪对其进行定位精度和重复定位精度的检测, 并计算出补偿误差, 对机床运动精度进行补偿。

1 GCMT2500复合式数控机床

课题研究的大型六轴五联动GCMT2500复合式数控机床, 主要用来生产直径2.5m的大型螺旋锥齿轮, 机床包含X、Y、Z、A、B、C六个轴, 其中X、Y、Z是移动轴, A、B、C是旋转轴。X、Y轴由滚珠丝杠与光栅尺控制运动精度, Z轴由链条与光栅尺控制运动精度, A、B、C轴由力矩电机控制运动精度, 如图1所示。

该机床采用ITNC530海德汉数控系统, 可以补偿下列机械误差:反向间隙、线性误差、非线性误差、热膨胀、圆周运动的反向尖角、静摩擦[2]。误差主要有两项:一是链条的齿距误差和滚珠丝杠的螺距误差, 二是传动反向间隙误差[3]。海德汉ITNC530数控系统有相应的补偿系统。我们通过运用雷尼绍XL-80激光干涉仪来对各个轴进行测量, 然后计算出各轴误差, 然后输入到海德汉补偿系统里。

2 检测过程及注意事项

首先按说明书步骤将激光干涉仪安装好, 提前将激光头和补偿器XC-80预热, 大约半小时左右。然后, 打开软件RenishawLaser XL里的线性测长。

因为高精密机床必须在一个稳定的环境下进行加工, 温度湿度等必须恒定, 所以环境补偿器的一些参数设置给与一个定值, 这个定值与机床工作环境相符。环境参数设置上, 把自动改为手动, 自己输入一个加工现场的环境数值, 如图2所示。

干涉镜一定要安装在机床牢靠而固定的位置, 且靠近反射镜。否则, 环境因素的影响很大, 尤其是振动, 会造成测量值的不停跳动, 难以稳定采点[4], 且可以减少死程。

线性干涉镜和反射镜的定位, 要记住远端调角度, 近端调位移。首先按说明书将镜组安装好, 放在合理位置, 旋转激光光闸, 使激光输出直径小的光束如图3所示, 用光靶把反射镜堵上, 白点朝上。然后, 启动机床进行调整镜组位置和激光干涉仪的角度和位置。在靠近激光干涉仪的时候, 如果激光干涉仪射出的光线不在光靶上的光标中心, 就调整激光干涉仪的左右位置和上下高度位置。左右位置旋转激光干涉仪的平移旋钮, 上下位置就调整三脚架的高度旋钮, 让光点移动到光靶的光标中心。在远离激光干涉仪的时候, 光点在光靶上发生上下偏移, 就旋转激光干涉仪的俯仰旋钮调整激光干涉仪的俯仰角度, 左右偏移就调整激光干涉仪的扭摆旋钮, 使光点一直停留在光靶的光标中心。经过几次调整, 激光干涉仪发出的光点一直停留在光靶的光标中心。此时, 摘下反射镜的光靶, 运行机床观察经过反射镜反射回去的光线是否停留在激光干涉仪光闸的光标中心。如果没有在光标中心, 就按上面的方法继续调整, 直到光点停留在激光干涉仪光闸上的光闸中心。然后, 旋转激光干涉仪的光闸, 使激光输出直径大的光束, 观察激光干涉仪上面显示的接收信号是否稳定和达到要求。如果没达到信号要求, 再按上述方法微调, 直到信号稳定并且达到要求。

数据采集时间间隔的设定要小于机床在被测量位置的停留时间, 否则由于机床的不稳定性和激光干涉仪采集的精确性, 会导致数据采集不上, 最后将无法分析整个测量行程。

3 误差补偿方法及注意事项

国家标准GB/T17421.2—2000规定了通过测量机床的单独轴线来检验和评定数控机床的定位精度和重复定位精度的方法。

采集数据时要设置越程量。越程量设置为超出量的60%~70%。采集的精度可以调节, 如果读数跳动比较大, 采集不上数值, 可以把精度调大。测量重复定位时, 先让机床运行一圈, 看整体图像。如果是一条斜线, 测量间距可以大一些;如果有突跳, 就看突跳点的左右间距, 把测量间距调密一些。然后再测量两圈, 分析数据。定位精度和重复精度符合要求, 再测量五个循环;不符合就计算误差, 将数据输入到机床的位置补偿系统里, 重新测量。最后, 分析五圈的测量的数据。如果符合精度要求, 那么就按这个数据补偿不变;如果不符合精度, 就重复以上操作。

因为机床X轴的机床坐标原点在轨道中心部分, 比较特殊, 所以这里以X轴为例。X轴的行程为900- (-1100) 。每100距离设置一个采集点。一个来回一共42个点, 分别为900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 100, 0, -100, -200, -300, -400, -500, -600, -700, -800, -900, -1000, -1100, -1100, -1000, -900, -800, -700, -600, -500, -400, -300, -200, -100, 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900。用激光干涉仪测量采集数据, 然后分析各点的误差值。设各点误差值分别为X1~X42, 则每个点的补偿值为:

除了零点不补偿, 其他的点都是把两次误差值相加除以二再减去零点的误差值来作为本次点的补偿值。将计算出来的补偿值填入海德汉数控系统里, 并且立即生效。首先在没有补偿的情况下进行一次测量, 测量结果如图4所示。

GCMT2500机床的定位精度要求, 如表1所示。

根据表1, 现在机床的X轴定位精度与重复定位精度不符合要求, 进行误差补偿, 然后再进行一次测量, 结果如图5所示。

根据软件分析的GB/T17421——2000分析曲线来查看重复与定位精度, 结果符合精度要求, 然后再进行五次循环进行检测分析, 发现结果也符合要求。

4 结束语

雷尼绍XL-80激光干涉仪是机床制造、维修行业经常使用的高精密设备之一, 主要用于机床精度检测与调整[5]。机床的精度是加工出一件合格产品的关键因素。目前, 用来评定机床性能的主要依据之一是机床轴线的定位精度和重复定位精度的大小[6]。通过运用介绍的方法, 可以大大提高激光干涉仪的测量精度和提高机床的定位精度和重复定位精度, 减小机床误差。

参考文献

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[2]海德汉技术手册[S].

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[4]曹利波.利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测[J].红外与激光工程, 2008, (37) .

[5]崔剑平, 王培林.浅谈雷尼绍XL-80激光干涉仪的对光[J].现代制造技术与装备, 2015, (4) .

数控机床精度检测补偿篇4

目前在装备制造业中, 数控机床作为新一代母机已经被广泛应用。如今零件制造精度逐年提高, 机密加工技术发展迅猛, 因此对加工设备精度的要求不断提升, 高性能的数控机床需求加大。目前机床所采用的传动方式大多以伺服电机连接丝杠通过丝母进行传动。由于加工条件限制, 所有的丝杠都存在误差, 所以当电机按照系统指令转动足够的圈数之后, 反映到移动轴上的位置总会出现误差。丝杠精度越差, 行程越长, 累计误差也就越大。通过利用数控系统的补偿功能可以提升机床精度和性能。有统计资料显示:新出厂的数控机床有65%在装配过程中性能指标未达到理想状态, 80%以上的机床存在精度缺失, 因此, 要定期对数控机床进行精度测量与误差补偿。特别是各轴的定位精度和重复定位精度, 以便及时发现和解决问题, 提高零件加工精度。

1 丝杠螺距补偿原理

在机床坐标系中, 在测量轴的运动行程内将其分为若干相等的测量段, 每个测量单位的测量点可以根据总行程与实际测量情况可以适当增加, 通过激光干涉仪进行测量, 测量时被测目标须多次从正反两个方向运动到目标零点, 测出将每个测量点的位置偏差并计算出平均值, 测量系统将该值记录在PC机内, 然后将该值填人数控系统的螺距误差补偿表中。通过数控系统补偿后, 被测轴将根据运算后的补偿值到达目标位置, 使误差部分抵消, 实现螺距误差的补偿。通常数控机床包含定位精度, 反向偏差, 垂度偏差, 双向螺补几个位置精度的要求。因此对几项精度的测量与补偿是提高数控机床加工精度的有效手段。

2 定位精度的测定与补偿[1]

通常在数控系统的控制下, 被测机床的运动部件所能达到的最高位置精度被称为数控机床的定位精度。它是作为数控机床的一项重要的动态精度, 与机床的几何精度共同决定机床切削精度。现阶段多采用激光干涉仪测量法对数控机床进行误差检测和数据分析。我单位采用Renishaw激光干涉仪, 其最大的优点是所有测量功能均采用激光干涉原理, 测量中以实时波长为基准, 性能稳定, 使用可靠, 功能扩展性强。下面以SINUMERIK840D系统的数控机床Z轴为例, 介绍其使用激光干涉仪检测螺距误差的步骤与补偿过程。首先架设激光干涉仪, 将测量设备与补偿设备与PC机连接并将反射镜组件固定在被测轴上方;设置测量零点并编制测量程序设置跃层量用于消除反向间隙误差使测量更准确, 设置单位定长为步距, 并将测量轴行程分为数个测量点;启动测量程序, 要求全行程至少完成三次正反向测量, 激光干涉仪将自动在PC机记录测量数据, 通过数据拟合算出各个测量点的平均误差补偿值;打开数控系统螺距误差补偿界面, 将此误差补偿值输入数控系统的补偿文档里面, 确认后存储。SINUM ERIK840D的补偿有两种方式。第一种方法为系统自动生成补偿文件, 将补偿文件传入计算机, 在PC机上编译并输入补偿值, 佳能补偿文件传入系统, 第二种方法为, 系统自动生成螺距补偿文件, 将补偿文件格式更改为加工程序, 通过OP单元佳能补偿值输进该程序, 运行该零件程序即可将补偿值写入系统。一般应用第二种方法进行补偿。定位精度作为数控机床出厂的重要指标, 一般在出厂之前就已经完成补偿, 但是随着设备投入使用时间越长, 传动机构的磨损与老化对机床定位精度误差的影响越来越明显, 导致数控设备加工精度下降。若定期采用激光干涉仪按照上述方法对机床进行定位精度补偿, 可以有效的控制机床误差对机床精度造成的不良影响, 提高机床的加工精度, 使机床处于最佳精度状态。

3 反向偏差的测量与补偿

数控机床的传动系统中, 各运动轴进给传动链的驱动部件或者链接部件 (如联轴器) 存在反向死区, 反向间隙等误差存在于各机械运动传动副中, 这些将使各坐标轴在运动换向的瞬间形成间隙从而造成反向偏差误差, 通常也称反向间隙或失动量。数控机床多采用半闭环反馈的伺服系统, 其定位精度与重复定位精度会由于反向间隙误差的存在影响设备的加工精度。在G00快速定位运动中, 机床的定位精度会受到反向间隙误差会影响, 使得钻孔、镗孔等孔加工时各孔间的位置精度降低, 而在G01的直线插补切削过程中, 插补的精度也会受到反向间隙误差的影响, 若偏差过大就会造成零件报废等不良后果。以SINUMERIK840D反向偏差的补偿为例, 将在快速运动时测得的反向偏差值作为补偿值输入补偿参数, 对坐标位移指令值进行补偿、修正, 使机床准确地定位在指令位置上, 消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。

4 悬垂补偿与双向螺距补偿[2]

悬垂补偿是由于补偿轴由于自身重量而产生的悬垂误差。该补偿将轴分为两类:基准轴和补偿轴。根据基准轴的位置对补偿轴进行实际值的补偿。补偿值是系统附加给轴的一个偏移量。当Y1轴沿负向移动时, Z1轴沿负向的悬垂误差越来越大。补偿时, 根据Y1轴的进给及用户定义的插补点, 系统在一个插补循环内计算出相应的Z1轴向的补偿值。插补点之间的为直线插补。补偿值为正, 意味着补偿轴应沿负向移动。悬垂补偿功能有双向螺距误差补偿功能, 下垂补偿功能用于螺距误差或测量系统误差补偿时的定义方法:根据840D资料的描述, 机床的一个轴, 在同一补偿表中, 既可以定义为基准轴, 又可以定义为补偿轴。当基准轴和补偿轴同为一个轴时, 可以利用下垂补偿功能对该轴进行螺距误差或测量系统误差补偿。从补偿变量参数$AN_CEC_DIRECTION[t]的描述中可以看出, 由于下垂补偿功能补偿值具有方向性, 所以, 下垂补偿功能在用于螺距误差或测量系统误差时, 可以理解为在坐标轴两个方向上可以分别给予补偿。一个表应用于补偿轴的运行正方向, 另一个表应用于补偿同一轴的运行负方向。

5 误差补偿的适用范围

数控机床螺距误差补偿对开环控制系统和半闭环控制系统具有显着的效果, 可明显提高系统的定位精度和重复定位精度;对于全闭环控制系统, 由于其控制精度较高, 进行螺距误差补偿不会取得明显的效果, 但也可进行螺距误差补偿。

参考文献

[1]钟伟弘.数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿.组合机床与自化加工技术.

数控机床精度检测补偿篇5

一、反向间隙补偿

(一) 反向间隙的含义

带间接测量系统的进给轴/主轴在运动时, 由于各坐标轴进给传动链上驱动部件 (如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等) 的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在, 造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差, 通常也称反向间隙或失动量。反向偏差的存在就会影响到机床的定位精度和重复定位精度, 从而影响产品的加工精度。同时, 随着设备投入运行时间的增长, 反向间隙还会随着磨损造成运动副间隙的逐渐增大而增加, 因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。

(二) 反向间隙的测定

反向间隙的测定方法:在所测量坐标轴的行程内, 预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准, 再在同一方向给予一定移动指令值, 使之移动一段距离, 然后再往相反方向移动相同的距离, 测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定 (一般为七次) , 求出各个位置上的平均值, 以所得平均值中的最大值为反向偏差间隙测量值。在测量时一定要先移动一段距离, 否则不能得到正确的反向间隙值。

测量直线运动轴的反向偏差时, 测量工具通常采用千分表或百分表, 若条件允许, 可使用双频激光干涉仪进行测量。当采用千分表或百分表进行测量时, 需要注意的是表座和表杆不要伸出过高、过长, 因为测量时由于悬臂较长, 表座易受力移动, 造成计数不准, 补偿值也就不真实了。若采用编程法实现测量, 则能使测量过程变得更便捷、更精确。例如, 在车床上测量z轴的反向偏差, 可先将表压住托板, 然后运行如下程序进行测量:

需要注意的是, 在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下, 低速的测出值要比高速的大, 特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运动时工作台运动速度较低, 不易发生过冲超程 (相对“反向间隙”) , 因此测出值较大;在高速时, 由于工作台速度较高, 容易发生过冲超程, 测得值偏小。

(三) 西门子802d反向间隙补偿的数据描述

(四) 西门子802d反向间隙补偿的实现

(1) 进入系统菜单 (西门子制造商口令为EVENING)

(2) 查找进给轴数据32450

(3) 选择轴

(4) 修改数据

(5) 按复位键生效

二、刀具补偿

(一) 刀具补偿的含义

数控机床由于机床热变形误差、机床几何误差、切削力 (引起的) 误差、刀具磨损误差、换刀等原因引起的加工误差时可通过刀具补偿来综合消除误差。刀具补偿分为长度补偿和半径补偿。西门子系统把刀具补偿存在储存器中通过D指令来调用。系统在加工时根据程序里的坐标点加上刀补里的数值得到实际加工坐标。在补偿存储器中有如下内容:

1.几何尺寸、长度、半径。几何尺寸由两部分组成:基本尺寸和磨损尺寸。控制器处理这些尺寸, 计算并得到最后尺寸 (比如总和长度、总和半径) 。在接通补偿存储器时这些最终尺寸有效。

2.刀具类型。由刀具类型可以确定钻头或铣刀。

(二) 刀具补偿的描述

1.刀具补偿号:D。一个刀具可以匹配1~9个不同补偿的数据组 (用于多个切削刃) 。用D及其相应的序号可以编制一个专门的切削刃。如果没有编写D指令, 则D1自动生效;如果编程D0, 则刀具补偿值无效。

2.刀尖半径补偿:G41, G42。刀具在所选择的平面G17~G19平面中带刀具半径补偿工作。刀具必须有相应的D补偿号才能有效。刀尖半径补偿通过G41/G42生效。控制器自动计算出当前刀具运行所产生的、与编程轮廓等距离的刀具轨迹。如图1所示。

(三) 西门子802d刀具补偿的实现

如图2所示, 零件宽度为100mm, 半精加工后尺寸应为100.10mm。半精加工后实际测量尺寸为100.10+2Δ。由于半精加工后马上进行精加工, 机床和刀具都处于稳定状态, 并且加工余量又小, 不会发生让刀。在刀具补偿的磨耗中打入Δ值, 再精加工即可得到正确的尺寸。

三、程序补偿

数控加工中由于各种原因产生加工误差, 但如果该误差有一定的规律, 并且具有稳定性, 可通过修改程序来消除误差。如在数控车床上加工一轴外圆, 本来想加工ap1圆柱外形。但由于机床主轴有偏差, 结果加工出来的零件呈ap2所示圆锥, 如图3所示。在不调整机床的情况下, 仔细测量误差数值, 然后修改p1点坐标值即可在加工中消除误差。但此方法比较繁琐, 一般只在机床没办法调整的情况下使用。

数控机床的使用者、维护者都非常重视数控机床的加工精度问题。数控机床的误差来源非常复杂, 本文仅从维修者的角度, 结合笔者的工作经验分析了主要误差来源及西门子802d系统数控机床可相应采取的改善措施, 希望通过这些问题的研究, 提高使用和维护数控机床的水平。

参考文献

数控机床精度检测补偿篇6

关键词：机械制造及自动化,定位精度,几何精度,误差补偿

1 引言

随着世界机械水平的不断提高,面对数控技术的快速发展和应用,作为一切机械设备的加工母机——机床,提高数控机床的加工精度非常重要。提高数控机床加工精度的方法大致归结为两种:一是机床装配技术水平的提高,通过提高装配工艺方案达到机床更好的装配精度要求;二是应用数控技术,对机床进行误差补偿,减小数控机床的各轴相关的定位误差、垂直度误差、平行度误差等。对于上面提出的两种方法,本课题主要针对数控误差补偿方法提高数控机床加工精度进行研究。

综合分析各部件运动关系:轴自身定位关系、轴与轴之间几何关系、轴与工作台几何关系、主轴与Z轴平行关系。应用数控技术,对以上相关的机床几何精度项进行误差补偿,最后达到提高数控机床加工精度的目的。本课题提出分五步对数控机床进行误差补偿:一是对数控机床的各直线轴进行定位精度误差补偿;二是对数控机床各直线轴之间进行垂直误差补偿;三是对数控机床各直线轴移动与工作台位置关系进行误差补偿;四是对数控机床Z轴移动与主轴平行度进行误差补偿;五是对数控机床的各直线轴进行定位精度修正误差补偿。

2 机床误差补偿原理框图

图1为机床X轴补偿原理框图。Cmd-X代表X轴插补指令;Cmd-Xm代表X电机指令位置;dx-Z代表X轴移动时,在X-Z平面内Z轴微动抵消其相关精度误差;dx-Y代表X轴移动时,在Y-Z平面内Y轴微动抵消其相关精度误差;dx-X代表X轴自身定位精度误差补偿。

3 对数控机床各直线轴的定位精度误差补偿

3.1 测量方法

检验前,将被检测直线轴预热半小时,依据检验方法,对于直线坐标,在坐标全行程上平均行程选取n个测点作为目标位置Pi,快速移动运动部件,使用激光干涉仪分别对各目标位置从正、负两个方向进行5次定位,测出正、负向每次定位时,运动部件实际到达的位置Pij与目标位置Pi之差(Pij-Pi)即位置偏差Xij,利用系统补偿数据对位置偏差Xij进行误差补偿。

3.2 计算偏差

3.3 定位精度补偿结果(表1)

依据前述测量方法,利用激光干涉仪对机床各直线轴进行测量,间距设为100,在行程600内分别取7个测量点,对这7个点进行机床各直线轴做定位精度和重复定位精度修正补偿。

4 数控机床各直线轴之间进行垂直误差补偿(以X轴为例)

4.1 补偿原理

该原理主要应用研究为在单一基准轴移动时,其它基准轴进行微动抵消机床X轴与Y轴垂直、X轴与Z轴垂直误差。

如图2所示,在机床理想状态下,在X-Y平面内,Y轴与X轴完全垂直,但是实际情况Y轴与X轴是不完全垂直的,X轴在移动时,就会在Y轴有个位移分量;同样在Y-Z平面内,X轴与Z轴也是不完全垂直的,X轴移动时,在Z轴上也有个位移分量。那么在X轴移动的时候,我们不仅需要保证X轴自身直线度精度好的前提下,也要保证X轴与Y轴垂直度好,X轴与Z轴直线度也要好。为了达到以上要求,我们可以通过系统对X轴做垂直误差补偿,在X轴移动的时候,利用激光干涉仪测量出X轴在行程内每个位置的Y轴Z轴的误差值,建立一个或多个由若干个补偿点构成的垂直误差补偿表,补偿表记录每一个实际位置对应的补偿值,这些补偿值修正X轴与Y轴垂直误差、X轴与Z轴垂直误差。

4.2 测量和补偿方法(以X轴与Z轴垂直补偿为例)

(1)检测前工具准备:表杆,表座,千分表或扭簧表,调平器,平尺,角尺,或者可以将平尺和角尺换成一个方规测量。

(2)如图3所示,将调平器平行于X轴轴线放置在工作台上,平尺平行于X轴轴线放置在调平器上。托板沿X轴线移动,利用调平器调整平尺,使指示器读数在平尺两端相等。

(3)如图4所示,将角尺直立在平尺上,移动Z轴,用千分表检测X轴与Z轴的垂直度,且以20mm为一个测量点,在全行程的每个测量点记录垂直度误差。

(4)将测得的垂直度偏差数据输入到被补偿轴为X轴、补偿轴为Z轴且间距为20mm的系统补偿表中。

(5)对以上步骤反复检测、反复测量、反复补偿直至达到符合精度为止。

4.3 垂直误差补偿结果(表2)

5 对数控机床各直线轴移动与工作台位置关系进行误差补偿(以Y轴与工作台平行度例)

5.1 补偿原理

仍应用前述补偿原理,在Y轴移动时,Z轴进行微动,抵消Y轴与工作台平行度误差。

5.2 测量和补偿方法

(1)检测前工具准备:表杆,表座,千分表或扭簧表,平尺,等高块1对。

(2)如图6所示,将1对等高块放在工作台上,平尺平行Y轴放在等高块上,移动Y轴,用千分表检测Y轴与工作台平行度,且以20mm为一个测量点,在全行程的每个测量点记录平行度误差。

(3)将测得的平行度误差数据输入到被补偿轴为Y轴、补偿轴为Z轴且间距为20mm的系统补偿表中。

(4)对以上步骤反复检测、反复测量、反复补偿直至达到符合精度为止。

5.3 数控机床各直线轴与工作台位置关系误差补偿结果

6 对数控机床Z轴移动与主轴位置关系进行误差补偿

应用的补偿原理,在Z轴移动时,X轴和Y轴同时进行微动,抵消Z轴移动与主轴平行度误差:(a)在平行于Y轴轴线的Y-Z垂直平面内的平行度误差;(b)在平行于X轴轴线的Z-X垂直平面内的平行度误差。

测量和补偿方法如下:

第1步:检测前工具准备:检棒,表座,千分表或扭簧表。

第2步:如图7所示,移动Z轴,检验在平行于Y轴轴线的Y-Z垂直平面内的平行度误差,且以20mm为一个测量点,在全行程的每个测量点记录平行度误差。

第3步:如图8所示,移动Z轴,检验在平行于X轴轴线的Z-X垂直平面内的平行度误差,且以20mm为一个测量点,在全行程的每个测量点记录平行度误差。

第4步:将第2步中测得的平行度误差数据输入为被补偿轴为Z轴、补偿轴为Y轴且间距为20mm的系统补偿表中。

(5)将第3步中测得的平行度误差数据输入为被补偿轴为Z轴、补偿轴为X轴且间距为20mm的系统补偿表中。

第6步:如以上步骤,反复检测,反复测量,反复补偿直至达到符合精度为止。

7 对数控机床的各直线轴进行定位精度修正误差补偿

当机床做完各直线轴之间进行垂直误差补偿时,往往各直线轴定位精度会有细微变化,那么就需要对机床各直线轴重新进行定位精度检测,并且加以修正误差补偿,检测和补偿方法同前述各直线轴的定位精度误差补偿方法一样。

8 机床工作精度检验

分别对应用本课题中数控补偿方法的机床加工结果与在现阶段只应用机床直线轴定位精度方法的机床加工结果做比较,发现本课题研究方法可以提高数控机床加工精度15%～35%。

9 结论

本文以提高数控机床加工精度为目标,开展数控机床几何误差补偿研究,利用数控误差补偿技术,实现减小机床的加工误差。通过本文研究可以知道,减小数控机床各直线轴自身定位误差及各直线轴、工作台、主轴等运动部件之间的几何关系误差,可以提高数控机床加工精度15%～35%。

在分别对数控机床各直线轴之间进行垂直误差补偿实验;对数控机床各直线轴移动与工作台位置关系进行误差补偿实验;对数控机床Z轴移动与主轴平行度进行误差补偿实验中发现,单一机床几何项做补偿时,其余机床几何项也会随之发生精度变化,这多项补偿实验是需要综合误差分析,综合补偿,达到多项几何精度达到最优结果。

参考文献

[1]GB/T17421.1-1998,机床检验通则.第1部分:在无负荷或精加工条件下的几何精度(eqv ISO230-1:1996)[S].

[2]GB/T17421.2-2000,机床检验通则.第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定(eqv ISO230-1:1997)[S].

[3]GB/T20957.1-2007,精密加工中心检验条件.第1部分:卧式和带附加主轴头机床几何精度检验(水平Z轴)(ISO10791-1:1998,MOD)[S].

数控机床精度检测补偿篇7

机床定位精度是指在调整或加工过程中, 机床的移动部件按所接收的指令信号, 向目标位置沿着坐标轴方向移动时, 实际值与目标值的相似程度。定位精度是最具有数控机床特征的一项指标, 常作为评价、验收机床的依据。同时, 通过定位精度的检测, 还可以分析定位误差的来源, 以便进一步采取措施提高这项精度。

定位精度的高低通过评定定位误差的大小确定。在运动过程中, 移动部件按给定指令移动, 但到达的实际位置与目标位置之间总存在误差, 并且每一次产生的误差值都不完全相等, 当对若干次重复定位误差进行记录, 能明显看到误差值呈现出在某一个值两侧作正态分布的特点, 如图1所示。

1 定位精度的检测

在进行数控机床定位精度检测过程中, 常用工具有刻线基准尺、读数显微镜、激光干涉仪、光栅和感应同步器等。

在一般精度检测中, 将刻线尺安装在被检验的工作台上, 沿与之平行方向移动, 通过安装在机床的静止部件上的显微镜, 观察尺的刻度, 如图2 (a) 所示。较高定位精度测量常用双频激光干涉仪如图2 (b) 所示。激光干涉仪安装在机床的静止部件上, 反射镜固定在工作台上, 光线平行于被检验的工作台的位移方向, 当被检验的工作台移动规定的距离时, 激光干涉仪的指示仪表显示出工作台移动的实际距离。

在进行统计检验时, 为得到某一点的定位精度, 需要进行5~15次的重复定位测量。而为了得到一个坐标轴的定位精度, 则必须随机选取测量坐标轴上的3~15个点, 从正、反两个方向移动坐标轴, 测量和评定定位精度。例如, 沿x轴从两个方向各进行7次测定某一点, 测15个测点, 则共需测得210个读数方能评定一个坐标轴的定位精度。为了提高测量效率、保证测量精度, 近年来逐渐采用激光干涉仪测量与显示系统, 能够自动显示、处理数据和自动进行记录。图3所示为激光干涉仪测量系统的原理图, 该系统能够实现对一个坐标轴连续自动测量, 并能对环境温度、气压等方面的影响进行自动修正, 最后统计处理所有测得数据, 绘制出误差曲线。

2 数控机床定位精度的评定

2.1 评定参数

按照国家标准GB10931-89中“数字控制机床位置精度的评定方法”, 数控坐标轴定位精度采用轴线的重复定位精度R、轴线的定位精度A和轴线的反向差值B三个评定参数。

在各坐标轴上选择若干个测点, 每个检测位置上, 使移动部件沿正反两个方向移动, 测定定位误差

2.2 评定方法

对坐标轴轴线的重复定位精度、轴线的定位精度和轴线的反向差值进行评定时, 采用不同的评定方法。

1) 轴线的重复定位精度R。各测点的重复定位精度为

式中:j为坐标轴上各测点的位置序号, j=1, 2, 3…, m。

轴线重复定位精度为各测点重复定位精度Ri↑和Ri↓中的最大值, 即R= (Ri) max。

2) 轴线的定位精度A。轴线的定位精度为双向趋近各测点时, 中的最大值与中的最小值之差值 (见图4) , 即

3) 轴线的反向差值B。各测点的反向差值中的最大绝对值为B=|Bj|max。

3 应用实例