数控机床位置精度的检测及空间误差补偿在重型机床上的运用

2017-08-29朱威

中国科技博览 2017年23期

朱威

[摘要]随着我国先进制造技术的快速发展，人们对数控机床位置精度的要求越来越高，检测技术的不断发展使得数控机床检测技术的研究势在必行，使用激光干涉仪对数控机床的定位精度检测成为现在普遍应用的手段，所以本文对数控机床位置精度的检测及误差补偿进行具体的分析。

[关键词]数控机床位置精度检测误差补偿

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0313-01

一、保持数控机床精度的重要性

随着科技的快速发展，检测技术已经成为国家综合发展的基础，先进的检测技术和手段，对于数控机床精度检测是十分必要的，只有加强检测手段，才能保证工件的加工精度和机械操作的准确度，从而保证产品的质量。

二、测量应用

1.线性测量

要进行线性测量，需使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上，组装成“线性干涉镜”。线性干涉镜放置在激光头和线性反射镜之间的光路上，用它的反射光线形成激光光束的参考光路，另一束光入射到线性反射镜，通过线性反射镜的线性位移来实现线性测量。

2.角度测量

与线性测量原理一样，角度测量需角度干涉镜和角度反射镜，测试时角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转，相对旋转后两束光的光程差就会发生变化，而光程差的变化会被激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。

3.直线度测量

激光头射出后的激光由直线度干涉镜以一定的小角度分为两束，并入射到直线度反射镜中。经直线度反射镜反射后，沿着新光路返回到直线度干涉镜中，经直线度干涉镜合束后返回激光头的进光口，当直线度干涉镜偏离光线，则两光束产生光束差，由激光干涉仪探测器探测出来，由软件计算显示出来。直线度测量原理在直线度测量过程中，一般尽可能的采用直线度干涉镜相对于直线度反射的运动，这样操作有利于提高测量的准确性和精度。

三、探讨和分析数控机床定位精度常见误差曲线

随着数控机床应用的普及，采用激光干涉仪对数控机床进行定位精度检测已经成为目前公认的高效、高精度的检测方法。不同的机床使用激光干涉仪检测的精度曲线会有所相同，因此需要对不同的测试结果给予全面而科学地分析。

1.负坡度

负坡度曲线向外运行和向内运行两个测试均出现向下的坡度。在整个轴线长度上，误差呈线性负增加，这表示激光系统测量的距离短于机床位置反馈系统指示的距离。出现负坡度的可能原因有以下两种：（1）光束准直调整不正确。如果轴线短于1m则可能是材料热膨胀补偿系数不正确、材料温度测量不正确或者波长补偿不正确。（2）俯仰和扭摆造成阿贝偏置误差、机床线性误差。

针对以上问题，可采取的措施有：如果轴线行程很短，检查激光的准直情况；检查EC10和测量头是否已连接并有反应；检查输入的手动环境数据是否正确；检查材料传感器是否正确定位以及输入的膨胀系数是否正确；使用角度光学镜组重新做一次测量，检查机床的俯仰和扭摆误差。

2.正坡度

正坡度曲线是指在整个轴线长度上，误差呈线性正递增。这种现象的产生有以下可能：（1）材料热膨胀补偿系数不正确、材料温度测量不正确或波长补偿不正确。（2）俯仰和扭摆造成阿贝偏置误差、机床的线性误差。

针对这些问题，可采取以下措施：检查EC10和传感器是否已连接并有反应，或者检查输入的手动环境数据是否正确；检查材料传感器是否正确定位以及输入的膨胀系数是否正确；使用角度光学镜组重新做一次测量，检查机床的俯仰和扭摆误差。

3.周期性曲线

周期性曲线是整个轴线长度上的重复周期误差。沿轴的俯仰保持不变，但幅度可能变化。导致周期性曲线的可能原因主要是机床方面的问题，如丝杠或传动系统故障、编码器问题或故障、长型门式机床轨道的轴线直线度。

针对以上问题建议采用很小的采样点间隔在一个俯仰周期上再测量一次，确认俯仰误差。作为一项指导原则，如果你要检查的是机床某元件的周期性影响，可将采样间隔设为预期周期性俯仰的1/8，然后通过比较机床丝杠的螺距、齿条的齿距、编码器、分解器或球栅尺俯仰、长型门式轨道的支撑点之间的距离等来确认可能的误差来源。例如，如果误差周期是20mm，查阅机床手册我们发现丝杠的导距也是20mm，显然误差可能与丝杠旋转问题有关，丝杠可能在最近的一次维修或机床移动时被弄弯了，或者丝杠偏心旋转。

4.偏移

偏移是指去程和回程两次测试之间具有不变的垂直偏移。产生偏移曲线的可能原因主要是机床方面的问题，如反向间隙未补偿或不当补偿、车架与导轨之间存在间隙（松动）等。

针对以上问题可采取以下解决措施：丝杠/滚珠丝杆驱动装置；检查球状螺母或丝杠是否磨损；检查丝杠轴承的端部浮动情况；使用角度光学镜组检查轴线反转时的车架角度间隙；检查控制器内设置的反向间隙补偿是否正确；机架和小齿驱动装置；检查牙是否正确啮合；检查齿轮箱是否磨损和线性编码器系统的状况。

四、空间误差补偿的运用

1.补偿原理

数控机床几何精度常见的有21项误差---以机床的三轴在空间移动为例，即每根轴的线性定位误差、水平直线度误差、垂直直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚动角，再加上三个轴两两之间（X到Y，Y到Z，Z到X）的垂直度，就得到了21项误差数。

要将21项误差对机器空间位置的影响完全消除，需要将各项误差精确地检测出来，并利用有关软件，将检测得到的误差数据转换为具备相应功能的数控系统所能接受的参数，提供给系统补偿结果，从而提高机床空间精度。在实际情况中，一台机床的误差原因会是多种误差的叠加作用的结果，单一误差测量显然无法完全提高机床的几何精度，特别是在整台机器的工作区域内各方向的精度。这里就引入了空间误差补偿的概念。

2.进行补偿功能要采取的步骤

（1）利用激光干涉仪分别测量线性位移、直线度、俯仰角、扭摆角等，为RVC 软件提供所需计算补偿参数及误差数据文件

（2）利用球杆仪测量各轴间的垂直度

（3）在840D sl1.3或更新版本中加载正确的ELF文件

（4）在机床工作空间范围中采集测量数据，评估偏差参数并将它们保存为数据文件

（5）将保存的文件拷入数控系统子目录“Manufact.Cycles”（＼CMA）中；点保存

（6）修改补偿参数重启后使之生效

（7）验证补偿正确性

3.空间误差补偿存在的几点问题

（1）若机床存在较大的反向跃冲、伺服不匹配等电器误差，则即使进行空间误差补偿，也对该机床加工精度改善不大。所以进行空间误差补偿前最好用球杆仪对机床综合精度状况进行检测评估。

（2）重复精度不好的机床即使进行空间误差补偿，补偿效果也不明显。

（3）对于精度要求高达5μm 左右的数控机床，建议对其使用环境应该按三坐标测量机的使用环境来要求，否则从长远来看机床自身因环境变化而带来的精度变化将会在某种程度上削弱空间误差补偿的效果。