數控機床位置精度測試常用的測量方法及評定標準

,武漢華中數控股份有限公司,數控機床位置精度測試常用,的測量方法及評定標準,1 定位精度和重復定位精度的確定,GB/T12421.2-99國家標準評定方法,目標位置P,i,：運動部件編程要達到的位置。下標i表示沿軸線選擇的目標位置中的特定位置。,實際位置P,ij,（i=0m，j=1n）：運動部件第j次向第i個目標位置趨近時的實際測得的到達位置。,位置偏差X,ij,：運動部件到達的實際位置減去目標位置之差，X,ij,=P,ij,P,i,。,單向趨近：運動部件以相同的方向沿軸線（指直線運動）或繞軸線（指旋轉運動）趨近某目標位置的一系列測量。符號表示從正向趨近所得參數，符號表示從負向趨近所得參數，如X,ij,或X,ij,。,雙向趨近：運動部件從二個方向沿軸線或繞軸線趨近某目標位置的一系列測量。,某一位置的單向平均位置偏差或：運動部件由n次單向趨近某一位置P,i,所得的位置偏差的算術平均值。,=,或 =,某一位置的雙向平均位置偏差 ：運動部件從二個方向趨近某一位置P,i,所得的單向平均位置偏差 和,的算術平均值。=（+）/2,某一位置的反向差值Bi：運動部件從二個方向趨近某,位置時兩單向平均位置偏差之差。B,i,=,軸線反向差值B和軸線平均反向差值 ：運動部件沿軸線或繞軸線的各目標位置的反向差值的絕對值B,i,中的最大值即為軸線反向差值B。沿軸線或繞軸線的各目標位置的反向差值的B,i,的算術平均值即為軸線平均反向差值,B=max.B,i,在某一位置的單向定位標準不確定度的估算值S,i,或S,i,：,=,通過對某一位置P,i,的n次單向趨近所獲得的位置偏差標準不確定度的估算值。即,S,i,=,S,i,=,在某一位置的單向重復定位精度R,i,或R,i,及雙向重復定位精度R,i,R,i,=4 S,i,和 R,i,=4 S,i,R,i,=max.2 S,i,+2 S,i,+B,i,；R,i,；R,i,軸線雙向重復定位精度R ，則有,R=max.R,i,軸線雙向定位精度A：由雙向定位系統(tǒng)偏差和雙向定位標準不確定度估算值的2倍的組合來確定的范圍。即,A=max(,I,+2 S,i,；,I,+2 S,i,)min(,I,-2,S,i,；,I,-2S,i,),定位精度和重復定位精度的確定JISB6330-1980標準（日本）,定位精度A：在測量行程范圍內（運動軸）測2點，一次往返目標點檢測（雙向）。測試后，計算出每一點的目標值與實測值之差，取最大位置偏差與最小位置偏差之差除以2，加正負號（）作為該軸的定位精度。即：,A=1/2 Max.（Max.X,j,-Min.X,j,），（Max.X,j,-Min.X,j,）,重復定位精度R：在測量行程范圍內任取左中右三點，在每一點重復測試2次，取每點最大值最小值之差除以2就是重復定位精度；即,R=1/2 Max.（Max.X,i,-Min.X,i,）,2 定位精度測量工具和方法,定位精度和重復定位精度的測量儀器可以用激光干涉儀、線紋尺、步距規(guī)。其中用步距規(guī)測量定位精度因其操作簡單而在批量生產中被廣泛采用。無論采用哪種測量儀器，其在全行程上的測量點數不應少于5點，測量間距按下式確定：,P,i,=i*P+k,其中，P為測量間距；k在各目標位置取不同的值，以獲得全測量行程上各目標位置的不均勻間隔，以保證周期誤差被充分采樣。,步距規(guī)測量,步距規(guī)結構如圖1所示：尺寸P,1,、P,2,、.P,i,按100mm間距設計，加工后測量出P,1,、P,2,、.P,i,的實際尺寸作為定位精度檢測時的目標位置坐標（測量基準）。以ZJK2532A銑床X軸定位精度測量為例，測量時，將步距規(guī)置于工作臺上，并將步距規(guī)軸線與X軸軸線校平行，令X軸回零；將杠桿千分表固定在主軸箱上（不移動），表頭接觸在P,0,點，表針置零；用程序（見附件一）控制工作臺按標準循環(huán)圖（圖2）移動，移動距離依次為P,1,、P,2,、.P,i,，表頭則依次接觸到P,1,、P,2,、.P,i,點，表盤在各點的讀數則為該位置的單向位置偏差，按標準循環(huán)圖測量5次，將各點讀數（單向位置偏差）記錄在記錄表中，按“2.3.4定位精度和重復定位精度的確定 GB/T12421.299標準”對數據進行處理，可確定該坐標的定位精度和重復定位精度。,P,0,10,50,80,P,i,P,2,P,1,圖6 步距規(guī)結構圖,圖1 步距規(guī)結構圖,位置i（m=5）,i 0 1 2 3 m=5,循環(huán) j,j=1,2,.n,圖7 標準檢驗循環(huán)圖,圖2 標準檢驗循環(huán)圖,激光干涉儀測位置精度,測量原理 激光干涉儀一般采用的是氦氖激光器，其名義波長為0.633um，其長期波長穩(wěn)定性高于0.1ppm。干涉技術是一種測量距離精度等于甚至高于1ppm的測量方法。其機理是：把兩束相干光波形合并相干（或引起相互干涉），其合成結果為兩個波形的相位差，用該相位差來確定兩個光波的光路差值的變化。當兩個相干光波在相同相位時，即兩個相干光束波峰重疊，其合成結果為相長干涉，其輸出波的幅值等于兩個輸入波幅值之和；當兩個相干光波在相反相位時，即一個輸入波波峰與另一個輸入波波谷重疊時，其合成結果為相消干涉，其幅值為兩個輸入波幅值之差，因此，若兩個相干波形的相位差隨著其光程長度之差逐漸變化而相應變化時，那么合成干涉波形的強度會相應周期性的變化，即產生一系列明暗相間的條紋，激光器內的檢波器，根據記錄的條紋數來測量長度，其長度為條紋數乘以半波長。,測試方法 首先將反射鏡置于機床的不動的某個位置，讓激光束經過反射鏡形成一束反射光；其次將干涉鏡置于激光器與反射鏡之間，并置于機床的運動部件上，形成另一束反射光，兩束光同時進入激光器的回光孔產生干涉；然后根據定義的目標位置編制循環(huán)移動程序，記錄各個位置的測量值（機器自動記錄）；最后進行數據處理與分析，計算出機床的位置精度。測量示意圖如圖3所示。,圖3 激光干涉儀測量示意圖,4 數控機床軟件補償原理,一般來講，數控機床的優(yōu)勢在于軟件（數控系統(tǒng)）和硬件（機床）的有機結合，才能很好的發(fā)揮數控機床的各種特性及先進的功能。一臺數控設備經過一年的運行，很多移動部件都發(fā)生了不同程度的磨損，其位置精度都會發(fā)生變化。即使未到大修年限，一般精密級的數控機床，都會重新進行位置精度的測試及補償，其也屬于機床維修及維護的重要一部分，當然，大修的數控機床就必須進行位置精度的測試及補償了。本章著重介紹一下精度補償的一般性原理及方法,。,4.1螺距補償原理,數控機床軟件補償的基本原理是在機床的機床坐標系中，在無補償的條件下，在軸線測量行程內將測量行程等分為若干段，測量出各目標位置P,i,的平均位置偏差 ，把平均位置偏,差反向疊加到數控系統(tǒng)的插補指令上，如圖4所示，指令要求沿X軸運動到目標位置P,i,，目標實際位置為P,ij,，該點的平均位置偏差為 ；將該值輸入系統(tǒng)，則系統(tǒng)CNC在計算時自動將,目標位置P,i,的平均位置偏差 疊加到插補指令上，實際運動位置為：P,ij=,P,i,+，使誤差部分抵消，實現(xiàn)誤差的補,償。螺距誤差可進行單向和雙向補償。,X,Pi,P,ij,0,螺矩誤差補償原理,P,i,4.2反向間隙補償原理,反向間隙補償又稱為齒隙補償。機械傳動鏈在改變轉向時，由于反向間隙的存在，會引起伺服電動機的空轉，而無工作臺的實際運動，又稱失動。反向間隙補償原理是在無補償的條件下，在軸線測量行程內將測量行程等分為若干段，測量出各目標位置P,i,的平均反向差值 ，作為機床的補償參數輸入系,統(tǒng)。CNC系統(tǒng)在控制坐標軸反向運動時，自動先讓該坐標反向,圖,4,螺矩誤差補償原理,運動值，然后按指令進行運動。如圖5所示，工作臺正向移動到O點，然后反向移動到P,i,點，反向時，電機（絲桿）先反向移動，后移動到Pi點；該過程CNC系統(tǒng)實際指令運動值L為：,L=P,i,+,反向間隙補償在坐標軸處于任何方式時均有效。在系統(tǒng)進行了雙向螺距補償時，雙向螺距補償的值已經包含了反向間隙，因此，此時不需設置反向間隙的補償值。,工作臺,0,P,i,X,L,圖5反向間隙補償,4.3 誤差補償的適用范圍,從數控機床進給傳動裝置的結構和數控系統(tǒng)的三種控制方法可知，誤差補償對半閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)具有顯著的效果，可明顯提高數控機床的定位精度和重復定位精度。對全閉環(huán)數控系統(tǒng)，由于其控制精度高，采用誤差補償的效果不顯著，但也可進行誤差補償。,4.4補償實例,現(xiàn)以ZJK2532A數控銑鉆床的X軸為例，該機床配置華中數控世紀星系統(tǒng)。測量方法為“步距規(guī)”測量；設某步距規(guī)實際尺寸為：,位置,P,0,P,1,P,2,P,3,P,4,P,5,實際尺寸mm,0,100.10,200.20,300.10,400.20,500.05,1、測試步驟如下：,。在首次測量前，開機進入系統(tǒng)（華中數控HNC-2000或HNC-21M），依次按“F3參數”鍵、再按“F3輸入權限”鍵進入下一子菜單，按F1數控廠家參數，輸入數控廠家權限口令，初始口令為“NC”，回車，再按“F1參數索引”鍵，再按“F4軸補償參數”鍵如圖2-6所示，移動光標選擇“0軸”回車，即進入系統(tǒng)X軸補償參數界面如圖2-8所示，將系統(tǒng)的反向間隙、螺距補償參數全部設置為零，按“Esc”鍵，界面出現(xiàn)對話框“是否保存修改參數？”，按“Y”鍵后保存修改后的參數。按“F10”鍵回到主界面，再按“Alt+X”，退出系統(tǒng)，進入DOS狀態(tài)，按“N”回車進入系統(tǒng)；,。編制步距規(guī)的測量程序，實現(xiàn)圖2所示測量循環(huán)。程序名為“OJX”；程序詳見附件1；將步距規(guī)實際尺寸P,1,、P,2,、.P,i,填入測量程序的變量中；,。將步距規(guī)置于工作臺中間位置，注意步距規(guī)的方向，P,0,點朝向X軸負向，用壓板輕輕地固定，并用百分表將步距規(guī)軸線與X軸導向導軌校平行，平行度允差0.02mm；,。使工作臺沿X軸向回零，Y軸置于行程中間位置；將杠桿千分表固定在主軸箱上（不移動），表頭接觸在P,0,點，表針置零；如圖6所示。,b,a,圖2-6步距規(guī)安裝示意圖,圖,6,步距規(guī)安裝示意圖,圖7參數索引界面,。將波段開關置于“單段”，進給修調置于“100%”，選擇檢測程序“OJX”，重復按“循環(huán)啟動”，當程序執(zhí)行到“N05”行時，將表針再次置零，再將波段開關置于“自動”后，按“循環(huán)啟動”開始測量，在測量完成前不應調整杠桿千分表表針。,。在測量程序運行中，當工作臺運動到目標位置時，表頭接觸到步距規(guī)測量面，測量程序設置有暫停3秒（G04X3），此時記下表針讀數，記錄在“測試記錄表”中。例如在第一次測量，工作臺負向運動到P,1,點時表針讀數為“6”時，讀數“6”記錄在“P,1,，X,1,”位置。如表7所示。,。測量5個循環(huán)，并將讀數記錄到“測試記錄表”中。停止運行，將表頭移開測量面。,2、數據處理,按“定位精度和重復定位精度的確定 GB/T12421.299標準”對數據進行處理，先計算出“平均位置偏差”、“反向差值B,i,”和“平均反向值B,i,”；,3、誤差補償,按測試步驟操作進入系統(tǒng)X軸補償參數表，見表3。,反向間隙補償,將記錄表中計算所得的軸線平均反向差值 寫入系統(tǒng)X軸補償參數表的“反向間隙（內部脈沖當量）”后的數據欄；,單向螺距補償,將“螺距補償類型”設為“1”，“補償點數”設為“6”，“補償間隔”設為“100000”，“參考點偏差號”為“5”；,。將“記錄表”中“平均位置偏差 ”的值填入“X軸補償參數表”,表3 測試記錄表,平均反向差值B,i,實,驗,記,錄,機床型號,ZJK2532A,測試坐標,X,測試者,機床編號,測試溫度,日 期,i=,0,1,2,3,4,5,目標位置P,i,=,0,-100.10,-200.20,-300.10,-400.20,500.05,趨近方向,位置 j=1,偏差 2,X,ij,3,4,（m）5,0,6,平均反向差值B,i,數據處理,平均位置偏差,1,2,3,4,5,6,2,8,9,10,11,12,反向差值B,i,的“偏差值”內；即：,將 值“1”填入“偏差值（內部脈沖當量）5”,將 值“3”填入“偏差值（內部脈沖當量）4”,將 值“5”