数控机床定位误差补偿方法分析

pdm1982 · 发表于 2024-6-18 22:38:14

数控机床定位误差补偿方法分析
数控机床的定位精度是机床性能的一项重要指标，是影响工件加工精度的重要因素。影响数控机床精度的因素很多，起主要作用的是数控系统误差和机械传动误差，其中最重要的是反向误差和丝杆螺距误差。近年来，围绕提高数控机床定位精度，减少定位误差相关的各项技术得到了广泛研究，应用最多的是软件误差补偿法。软件误差补偿法是利用数控系统自身的特点，采用软件的方法，对机床的误差进行补偿。本文选择对数控机床定位精度影响大的反向误差和丝杆螺距误差补偿方法进行分析，经过补偿后，数控机床的定位精度得到显著提高。
1．反向误差的补偿
在数控机床上，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死区，通常也称反向间隙或失动量。对于采用半闭环伺服系统的数控机床，反向误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。如在 C01切削运动时，反向误差会影响插补运动的精度，若偏差过大就会造成 “圆不够圆，方不够方”的情形；而在 C O O 快速定位运动中，反向误差影响机床的定位精度，使得钻孑L、镗孑L等孑L加工时各孑L间的位置精度降低。同时，随着设备投入运行时间的增长，反向误差还会随因磨损造成运动副间隙的逐渐增大而增加，因此需要定期 (如3 个月) 对机床各坐标轴的反向误差进行测定和补偿。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。具体的反向偏差测定方法是：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3 个位置分别进行多次测定 (一般为 7 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测量值。在测量时一定要先移动一段距离，并将反向间隙补偿值设置为零，否则不能得到正确的反向偏差值。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。测量的结果可用数控系统的参数进行补偿，如 FANUC Oi 系统的 0535 ( BKLX ) 、0536 (BKLY)、0537 (BKLZ) 参数分别为 x 轴、y 轴、z 轴反向间隙补偿值。测量程序如下：
N10 CO1 WIO F 8 0 0 ；

N20  W15 ；

N30  W1 ；

N40  W一1 ；

N50  M30；

2．丝杆螺距误差补偿
进行数控机床的丝杆螺距误差补偿，误差测量是关键。为了保证测量精度，应使用高精度的检测仪器 (如激光干涉仪)，并在机床几何精度 (床身水平、平行度、垂直度等) 调整完成后进行测量，这样可以尽量减少几何精度对定位精度的影响。为了避免在测量各目标点位置误差值时，原补偿值仍起作用，必须将数控系统中被补偿轴的螺距误差补偿参数单元清零，或将补偿轴的补偿功能设置为失效状态，或将补偿比例因子设定为 0。
(1) 自动测量与补偿方法
误差测量与补偿方法分为自动和手动两种方式。用于自动测量与补偿的数控机床定位误差补偿系统如图 1 所示。该系统由 6 部分组成：数控机床、双频激光干涉仪、误差测量接口、误差补偿接口、计算机和打印机等。图 1 中，数控机床是误差补偿对象，双频激光干涉仪用于测量误差，计算机是系统的核心。在补偿软件的管理下，通过测量接口可用双频激光干涉仪自动测量数控机床的定位误差，由误差补偿接口对数控机床的定位误差进行补偿，误差数据可通过打印机输出。当机床运动时，计算机通过误差测量接口按一定的位移间隔对双频激光干涉仪测出的误差数据采样处理，并发出相应的补偿信号；通过误差补偿接口将误差传给数控机床的 CNC 系统，由数控机床完成相应的补偿。这样每到一个补偿点，计算机便发出一次补偿信号，由数控机床进行一次补偿，直到行程终点。

补偿实例如下：对一台型号为 YcM—VM c—65A 加工中心的轴定位误差进行检测，补偿前后误差曲线如图2 所示。补偿前其轴定位误差曲线为A ，最大误差为57．6lxm ，经过补偿后，其  轴定位误差曲线为 B ，最大误差仅为6 ．6lxm 。

(2 ) 手动测量与补偿方法自动测量与补偿系统需要专门的价格昂贵的设备，在没有设备的情况下，可以采用手动测量与补偿方法。具体测量的步骤如下：

①将激光干涉  补偿曲线仪安装在某工作台的一侧，测定工作台上某特定点的初始距离。

②在整个行程范围内，用数控指令移动工作台，每次移动相同距离，来确定轴向点的位置，这些点的数目由工作台行程大小和数控系统特点决定。

③记录命令位置 (即数控指令所要求的位置) 和激光干涉仪所测得的实际位置之间的偏差。

④重复上述步骤 3 次以上，计算每轴向点的平均误差，画出误差曲线。

⑤按照相应的分析标准 (如 V D I344 1 、JIS6330 、G B 10931m 1989 等) 对测量数据进行分析，可以先测量再补偿，补偿后再测量，直到达到机床精度的要求范围。对于测得的误差数据，如果被测点数目不多，可以通过设置参数的方法，根据数控系统的特点，将每一点的误差值储存在计算机的存储器单元中。

例如FANUC 0i系统的螺距补偿方法如下：

假如某机床轴机械行程为 -400mm~800mm ，机床参考点设在0mm 处。设定螺距误差补偿参考的补偿点号为 40(即参数 3620 = 40，也就是说设定机床参考点在参数3620 处)，螺距误差补偿间隔为50mm (即参数 3624 =50000)，补偿倍率为 1 (即参数3623 = 1)。

在机床行程负方向最远端补偿点号为：

螺距误差补偿点基准编号一 (机床负方向行程／补偿间隔) + 1=40-(400／50 ) + 1 = 33。

在机床行程正方向最远端补偿点号为：

螺距误差补偿点基准编号 + (机床正方向行程／补偿间隔) = 40 + (800／50 ) = 56 。

如果被测点数目较多，上述方法费时太多，且易产生错误。可采用专用的数据传输软件 (如西门子公司的专用通信软件 W INPCIN )，将丝杆螺距误差值输出 (文本格式)，用测量的误差值修改此文本，然后用此数据传输软件将其上传到数控系统。

大量实践证明，通过误差的补偿，可以有效地提高数控机床的定位精度，从而提高零件的加工精度。

转载：张家界航空工业职业技术学院朱树红田正芳

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