數控機床進給軸位置精度的測量與優化
2021-3-8 來源： 武警海警學院機電管理系 作者：楊少兵 陳忠維
摘要 數控機床進給軸位置精度對加工精度具有重要影響。通過使用雷尼紹XL-80型激光干涉儀測量某型數控車床X、Z軸的定位誤差數據，利用軟件分析得到反向間隙補償值和螺距誤差補償值，并在西門子840D sl數控系統中進行反向間隙補償和螺距誤差補償；兩進給軸誤差補償前后位置精度的實際測量結果表明，其定位精度和重復定位精度得到了顯著的提高。
關鍵詞 數控機床；進給軸位置精度；激光干涉儀；反向間隙補償；螺距誤差補償
數控機床加工精度主要由加工刀具與工件間穩固的相對位置決定，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，提高機床進給軸的位置精度，對提高工件的加工品質具有重要意義。機床進給軸的位置精度主要表現在滾珠絲杠反向間隙、直線運動軸定位精度及重復定位精度 3 個方面。在機床裝配調試與運行管理維護過程中，通常使用數控系統軟件補償方式，以消除因零部件制造誤差、裝配誤差、運行磨損等引起的進給軸直線運動位置誤差，如反向間隙、螺距誤差等，進而提高進給軸的位置精度。
本文以某型配備西門子 SIMUMERIK840D sl 系統的機床為研究對象，其數控系統配備PCU 50.5-C控制單元、NCU 710.2數控單元；進給軸 X 有效行程為 1100 mm，測量裝置為海德漢LS187C-1340型光柵尺；Z軸有效行程為370 mm，測量裝置為海德漢 LS187C-440 型光柵尺。在其精度調試過程中，使用雷尼紹 XL-80 型激光干涉儀實現對直線運動軸 X 與 運動位置精度的測
量；基于對應的運行誤差數據，求得相應進給軸滾珠絲杠的反向間隙補償值和螺距誤差補償值，并在數控系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
使用激光干涉儀XL-80測量系統的線性測長組件測量進給軸的位置誤差，主要包括激光頭、補償器、帶云臺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。數據采集與分析分別使用專用的線性測長軟件與數據分析軟件。下面以X軸為例，介紹進給軸位置誤差測量。
1.1 激光干涉儀測量準備
測量 X 軸線性位移時，主要測量組件在機床上的基本布置如圖1所示。應先做好測量前的準備工作。
1）在X軸運行方向前方穩固地架設好三腳架與云臺，在云臺上固定好激光頭，調整位姿微調旋鈕，使各個方向的調整行程處于中間位置。
2）連接好激光頭電源及溫度、濕度傳感器，打開電源開關，轉動激光頭光閘，使射出的激光束最細；調節三腳架位置與腳的高度，配合使用系統自帶的微型水平儀，使激光頭水平，且射出的激光束與X軸運行方向基本平行。
3）將 X 軸滑臺移動到離激光頭最近的位置，在滑臺上固定好反射鏡；調整磁力表座位置和高度，配合使用微型水平儀與光靶，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臺遠離激光頭，調整云臺的左右角度，使光點向相反方向偏離光靶中心大致相同的距離；移動滑臺靠近激光頭，調整云臺的左右位置，使激光束正中反射鏡靶心。
5）重復過程 4），直至 X 軸移動過程中激光束始終擊中反射鏡靶心而不偏離，此時激光束與 X軸運行方向已完全平行；去掉光靶，旋轉激光頭閘至工作位置，反射光束應全部射入激光接收孔，激光頭5個信號強度指示燈應至少點亮4個。
6）在激光頭與反射鏡之間的合適位置固定好分光鏡，將分光鏡分光到反射鏡的一側用光靶蓋住，調整磁力表座位置與高度，使分光鏡的反射光束完全射入激光頭接收孔，且信號強度指示燈至少點亮4個。
7）取下分光鏡分光到反射鏡一側的光靶，此時激光束應通過分光鏡至反射鏡，反射后光束再次回到分光鏡，并與分光鏡上的反射光束產生干涉，干涉光束被激光頭接收，接收信號強度指示燈應至少點亮4只。測量準備工作完成。
圖1 測量X軸線性位移主要組件在機床上的基本布置圖
1.2 數據測量
激光干涉儀安裝就緒后，編寫專門用于數據測量的機床運行程序，并設置好數據采集軟件，運行數控程序，便可實現數據的自動采集。數據測量前，應在數控系統中將反向間隙值設置為
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，絕對坐標位置為-450.000～+650.000，數據測量間隔為100 mm，每一行程共測量 11 個點的數據。故設置數控程序起始點為-400、終止點為600，每運行100 mm停止 4 s，等待激光干涉儀采集數據；滑臺運行到兩端后越程 4 mm 返回，共運行 5 次。數控程序如下：
啟動數控程序，當滑臺從-404 mm 運行到-400 mm位置、即在第一個GOF4處時，暫停程序，待設置好數據采集軟件后再開始運行。
1.2.2 線性位移數據采集與分析
啟動電腦上的線性測長軟件，按照提示的步驟，進行數據采集參數設置。設置第一定位點0 mm、最終定位點1000 mm，間距值100 mm，精度為小數點后3位；設置測量定位方式為線性定位，測量次數為 5 次，方向為雙向；填寫測量時間、地點等信息；數據采集方式、停止周期、越程大小等為缺省值。完成上述設置后，軟件自動開始測量，自動采集的第一個數據為 0.000 mm
。此時啟動數控程序，軟件便自動在每個暫停時間段采集相應的線性位移數值，直至全部 55 個點的數據采集完畢。
打開數據分析軟件，X軸線性測長誤差曲線如圖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標值的差值。
圖2 X軸線性測長誤差曲線
在“分析數據”菜單中選擇“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軸反向間隙為6.1 μm、重復定位精度為6.8 μm、定位精度為31.4 μm。
2 、反向間隙補償與螺距誤差補償
根據測得的實際誤差值，利用數據分析軟件，得到補償數據。在“分析數據”菜單中選擇“誤差補償圖表”，設置圖表類型為“均值補償”，補償類型為“絕對值”，補償分辨率為0.001 mm，正負符號轉換為“誤差值”，補償起點為0、終點為1000 mm，間隔為 100mm。然后單擊“繪制誤差補償圖表”，得到軸反向間隙補償數據為-0.0004 mm。螺距誤差補償數據如表1所示。
表1 X軸螺距誤差補償數據
2.1 反向間隙補償
根據上述誤差數據，將反向間隙補償值輸入到數控系統中，即MD32450 BACKLASH[1]=-0.004，然后按 Reset，機床回參考點后反向間隙補償生效。
2.2 螺距誤差補償
根據西門子 840D sl 數控系統螺距誤差補償使用說明，按如下步驟進行螺距誤差補償：
1）根據“誤差補償圖表”編制補償文件，文件名為X-BUCHANG.MPF，如表2所示。
表2 X軸誤差補償文件
注：方括號內第 1 個“1”代表測量系統為光柵尺、第 2 個數字代表補償點，“AX1”表示軸1，即X軸
2）計算補償點數N：
式中：Cmax表示補償位置坐標上限，Cmin表示補償位置坐標下限，C 表示補償間距。
根據 X 軸實際情況，其補償點數 N 為 11。在數控系統中設置參數 MD38000[1]=11，方括號中的“”表示機床采用光柵尺作為測量系統。修改參數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 拷貝到數控系統中，并執行一次；再將 MD32700 設置為 1，按復位鍵，機床回參考點，螺距誤差補償功能立即生。
3、 誤差補償前后進給軸位置精度對比
X 軸反向間隙補償和螺距誤差補償生效后，使用 XL-80 激光干涉儀再次測量該軸的位置精度，其線性測長誤差曲線如圖3所示。
圖3 X軸誤差補償后線性測長誤差曲線
X 軸進行誤差補償前后，其位置精度數值如表 3 所示，定位精度提高了 598%，重復定位精度提高了106%。該機床 Z 軸有效行程范圍為−330～40 mm，設置補償初始位置為−300、終止位置為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，補償后定位精度提高了 165%，重復定位精度提高了111%
。
表3 X軸誤差補償前后位置精度對比
表4 Z軸誤差補償前后位置精度對比
4 、結束語
在新機床的裝配調試與舊機床的維護保養中，利用激光干涉儀測量進給軸的位置誤差，并在數控系統中進行反向間隙補償和螺距誤差補償，能有效地提高進給軸的位置精度。這項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、不同的數控系統，均能實現軟件誤差補償功能，應在機床的調試和維護中大力普及和推廣。
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