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数控机床
位置
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数控机床位置精度的检测及补偿,数控机床,位置,精度,检测,补偿
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毕业设计（论文）文献综述题 目 数控机床位置精度的 检测及补偿 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机 027 班 学 生 潘 峰 指导教师 严 翔 2006 年数控机床位置精度的检测及补偿一 数控机床位置精度的定义定位精度是机床位置精度中的一项重要指标。在精密加工中，机床的定位误差几乎占到误差的3/5。机床的定位精度是指机床的移动部件如工作台、溜板、刀架等在调整或加工过程中，根据指令信号，由传动系统驱动，沿某一数控坐标轴方向移动一段距离时，实际值与给定值的接近程度。在点位、直线控制系统中，定位精度影响工件的尺寸精度，在轮廓控制系统中，定位精度影响工件轮廓的加工精度，产生轮廓失真。定位精度的高低用定位误差的大小衡量。定位误差靠采用统计检验的方法求得，它包括系统性误差和随机性误差两类。对于某一目标位置，当移动不见沿某一坐标轴从一个方向按给定指令移动时，其实际到达的位置与目标位置之间总会存在误差。重复定位（测量）次数愈多，误差值愈可能呈现出围绕某一个平均值之间的位置偏差反映了该移动部件系统存在的系统性误差。误差的离散带宽（分散范围）反映了该系统的随机性误差。在误差呈正态分布的情况下，离散带宽等于6，为均方根误差，计算公式是式中：n重复定位（测量）次数（n足够多时，例如n100）；实测误差值；实测误差的平均值，即位置偏差某点的定位误差定义为该点的位置偏差与该点离散度（图1-1）之和，并取其最大绝对值（取绝对值较大的一个）图1-1 定位精度说明图误差的离散带宽表示了该点的重复定位精度，即重复定位精度R为当移动部件从正、反两个方向多次重复趋近某一点定位时，正、反两个方向的位置偏差值不同，即方向时产生了不灵敏区，称之为反向差值（或称失动量）。图1-2为双向趋近某一定位点时的误差分布曲线。从正、反方向趋近定位点时，位置偏差分别为与，定位误差的离散度分别为与，反向差值B为 图1-2 双向趋近时的误差分布曲线二 数控机床位置精度的检测方法数控机床的定位精度一般可以用刻线基准尺和读数显微镜、激光干涉仪、光栅、同步感应器等测量工具进行检测。其检测方法主要有：块规法，线纹尺-显微镜法，双频激光干涉仪检测法。由于双频激光干涉仪的检测精度较高，故在国际上常采用双频激光干涉仪进行测量。如采用美国惠普公司生产的HP5528A双频激光干涉仪和英国雷尼绍公司生产的ML10双频激光干涉仪。而国内目前双频激光干涉仪数量较少，而且因为线纹尺显微镜法和块规法操作简单投入经费少，故国内常采用线纹尺显微镜法和块规法进行检测。1、块规法现国内已经较少采用此法，故本论文不做介绍。2、线纹尺显微镜法（1）测量原理以精密线纹尺作为标准器，采用相对测量法进行测量，求出被测数控机床坐标轴上各被测点的位置偏差。当数控机床沿被测坐标轴的轴线方向作直线移动到日标位置时（j为标位置序号），通过读数显微镜从精密线纹尺精确读出该目标位置的读数值，经过误差修正得该目标位置的实际位置（i为检测序号）。按位置偏差定义，实际位置减目标位置之差值即为该测点从的位置偏差。即：据GB10931-89及各点的位置误差，经过数据处理，即可评定数控机床的位置误差。（2）测量方法线纹尺及读数显微镜的安装。遵循阿贝原则将0级或1级线纹尺安放在机床的工作台上，如图2-1示。首先用磁性表架6将杠杆千分表5固定在机床的主轴7上，以线纹尺1的外侧面为测量面，启动机床使其主轴或工作台3作轴向移动，反复调整线纹尺，使之与被测坐标的轴线方向一致。调整时可先用橡皮泥2固定，调整好后再加上两个磁性表座4紧固，若检测竖直方向(Y轴或Z轴)的位置误差，可用方箱3作为定位基面，如图2。取下杠杆千分表及表座，用自制专用夹具7将读数显微镜6固定在机床主轴9上。自制夹具应稳定可靠，调整方便。调整好读数显微镜，应使线纹尺5的刻度线清晰地成象在其目镜视场内。图2-2中，1为橡皮泥,2为磁性表座，4为工作台，8为测量芯轴。 图2-1 图2-2目标位置及循环方式的选择。目标位置是指运动部件要达到的位置。目标位置的选择须客观真实地反映其周期误差。在被测轴向的全部工作行程内随机选取各目标位置。式中，j为目标位置序号（j= 1,2, ,m)；t为目标位置的间距，应取整数，丝杆传动时，t不应等于导程的倍数；r为目标位置的取值的小数部分，位数与最小设定单位相当，每个目标位置可按一定方式（如递增或递减）取不同值。当j= 1时，取r=0。 据国外有关资料要求，每一测量线上至少应选择m= 11个目标位置。本文建议至少应选择5个目标位置。且运动换向的起点和终点位置应靠在被测坐标轴线的端点位置。循环方式有线性循环和阶梯循环两种方式（参照GB10931)。测量步骤。测量前被测机床和线纹尺等应在20士5室温内等温12小时。测量时，将三只分度值为0. 1的温度计分别放置在机床的工作台及光栅尺附近的两侧，并记下测量始末的温度值。测量时，空气温度的变化应小于士0.2/h。按选择的目标位置及循环方式编制机床的检测程序，然后启动机床以快速或制造厂规定的速度沿轴线直线运动，逐次定位，从读数显微镜依次读出各目标位置的读数值。测量过程中应在测量位置停留足够时间，以便准确地观察和记录。3、双频激光干涉仪检测法（1）线性测量原理图2-3 线性测量的光学设置要设置线性测量，将一个线性反射镜连接到具有两个紧螺纹的分光镜上。 这个组合要件被称为“线性干涉镜”，可以作为激光束的参考路径。 线性干涉镜位于 ML10 激光器和线性反射镜之间的光束路径，如图2-3所示。分光镜管上标有两个箭头以显示其方位。 箭头应指向两个反射镜，如上图所示。图2-4 测量原理ML10 激光器的光束会射入线性干涉镜，再分为两道光束。 一道光束（称为参考光束）射向连接分光镜的反射镜，而第二道光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜。 这两道光束回再反射回分光镜，重新汇聚之后返回激光头，其中会有一个探测器监控两道光束间的干涉。在线性测量时，其中一个光学元件保持不变，而另一个则沿着线性轴移动。 定位测量是通过监控测量及参考光束间光路差异的变化来执行的（请注意，两个光学元件间的差分测量与 ML10 激光器的位置无关）。 此种测量可与待测机床的标尺读数比较，获得机床精度的任何误差。通常，反射镜设置为移动的光学元件，而干涉镜则作为固定的元件，如图2-4所示。这些角色可以调换，但会缩小测量的最大量程，从 40 m(133 ft) 缩小为 15 m (49 ft)。 因此在长轴上，线性干涉镜通常保持固定，而移动其它反射镜以执行测量。 在较短的轴上，如果方便，这些角色可以互相交换。（2）线性测量设置用于测量线性定位的典型系统设置如图2-5所示。 选择设置图片上的文本标签，获得更多有关系统元件的信息。图2-5 用于测量定位精度的典型系统设置线性测量原理一节介绍线性镜组的工作原理以及在执行线性测量时的设定方法。执行以下步骤以设定用于线性测量的激光器系统：若您尚未做好准备，请安装校准软件。 此外，还必须确保您的计算机上已安装并配置了以下其中一个 Renishaw 接口。笔记本计算机的 PCM10 或 PCM20（PCMCIA)卡。台式机的 PC10 卡将线性镜组连接到要校准的机床上。 不同机床配置的典型线性镜组设置将在线性测量设置部分中说明。在三脚架上安装 ML10 激光头。将ML10以及EC10连接到接口卡上。将数据连接电缆的一端插到PC10/PCM20接口卡上的5针插座中，另一端插到ML10激光器后部的插座中。同样再将EC10连接到接口卡上。PC10/PCM20接口卡上的两个5针的插座是通用的，因此ML10或EC10连接到哪个插座无关紧要。将环境传感器连接到 EC10 上。将 EC10 的空气传感器放在机床上或附近的适当位置。将材料温度传感器放在机床上的适当位置。为了安全起见，ML10 激光器的光闸最初应旋转到它的闭合位置，如下图2-6 所示。图2-6 ML10 光闸位置 - 不发出任何光束。打开 ML10 激光器和 EC10 以及 PC 机的主电源。 打开电源的顺序无关紧要。 使 ML10 稳定下来。 这将大约需要 10 到 15 分钟。运行线性数据采集软件。使激光束与机床的运动轴准直。三 数控机床位置精度检测的相关标准目前,国际上比较通行的标准有NMTBA(美国机床制造商协会标准)、JIS(日本工业标准)、VDI/DGQ(德国工程师协会/德国质量协会标准)、ISO(国际标准)等。在本课题中，将采用我国常使用的国际标准(ISO 230-2)及国家标准GB10931-89。1、国际标准 ISO230-2ISO 230-2数控机床定位精度和重复定位精度的确定。本国际标准是由ISO的TC39技术委员会(即机床技术委员会)于1986年起草，并于1988年11月首次正式颁布。该标准采用三项参数评定机床的位置精度、即:定位精度、双向重复定位精度及平均反向误差。坐标轴的定位精度从公式可以看出，定位精度不考虑位置和运动方向，由两个极值与之差的最大值来确定。这个定义适用于单向和双向定位精度。双向重复定位精度： R类似于VDI/DGQ 3441中的平均反向误差 (在一个位置上的反向误差) 平均反向误差B相当于VDI/DGQ 3441中的U。从上述三项参数计算式中可以看出.位置精度是用统计方法求得的。2、中国标准 GB10931-89我国参照国际标准化组织1988年制定的IS023G-2标准的主要内容，于1989年制定了国家标准数控机床位置精度的评定方法GB10931一89。据此，数控机床的位置精度主要评定以下三项精度指标： 1)机床的重复定位精度R由于实测中测量次数n小于10，则宜采用下式计算标准偏差值，来代替式中字母的含义同前，只是可用，代入，可用，代入。各测点的重复定位精度为： 式中j坐标轴上各测点的位置序号，j=1,2,3.m所以机床的重复定位精度为各测点重复定位精度和中的最大值，即：2)机床的定位精度A机床的定位精度为双向趋近各目标位置时、中的最大值与、中的最小值之差值，即：3)机床的反向差值B(反向间隙)此项误差值为各目标位置反向差值中的最大绝对值，即：四、数控机床位置精度的补偿误差补偿的原理，就是人为地制造一个大小相等、方向相反的误差去补偿修整原有的误差。定位误差补偿用数学形式可表达为（i=1，2，n）式中：各定位点的定位误差值；误差修正值。在三维空间内的定位误差补偿可用误差矩阵的形式表示，只要实测出数控机床各坐标轴的定位误差后，就可以确定误差修正值对机床工作空间任一点的定位误差进行补偿。误差补偿一般用于补偿系统性误差，由于大多数情况下系统性误差总是大于随机性误差因此其效果显著。数控机床通常采用电气补偿法进行反向间隙补偿和螺距累积误差补偿来提高定位精度。在CNC机床上则可采用软件补偿方法进行各坐标轴的定位误差补偿。采用该法灵活性大，补偿量可以方便地改变，因此，不仅可以补偿机床定位误差，还可以补偿工艺系统其他各项误差。1、电气补偿法（1）反向间隙误差补偿即使在机械设计中采取了消除间隙的措施，实际制造中反向间隙往往不可能完全消除，加上受力变形的影响，使数控系统在发出反向指令信号后，工作台并不能立即反向移动，必须在完全消除反向间隙和克服弹性变形后，工作台才能随之移动。反向间隙误差补偿的基本思想是，当某一坐标轴接受了反向指令时，在该坐标轴进行脉冲分配控制前，由间隙补偿电路发出一定数量的间隙补偿脉冲，使工作台自动越过间隙，然后再按指令脉冲移动，间隙补偿脉冲数根据实测到的失动量确定，并用拨码开关预先给定。在每次反向信号到来时，将其置入一间隙补偿减法计数器中，每发出一个间隙补偿脉冲，间隙补偿减法计数器减“1”，直至计数器回零，补偿终止。由于机床各坐标轴的失动量不尽相同，因此各轴都要设置一套间隙补偿电路。（2）螺距累积误差补偿滚珠丝杠的螺距累积误差是定位误差中最重要的组成部分，可以采用定点的脉冲补偿方法修正螺距累积误差，以提高定位精度。补偿原理图如图4-1所示。首先实测出丝杠在全行程上的误差曲线3，在累积误差达到一个脉冲当量处，安装一个挡块。由于实测到的误差值有正有负，误差值为正处应进行负补偿，即扣除一个脉冲，使步进电机少走一步。误差值为负处应进行正补偿，追加一个脉冲。将要增减脉冲的挡块分别安装在A、B两根补偿杆上。当工作台移动时，装在床身上的微动开关每与挡块接触一次就通过螺距误差补偿控制电路相应进行增减脉冲补偿。补偿后的螺距误差可以控制在一个脉冲当量范围内。图4-1 螺距误差补偿原理1理想的运动（没有螺距误差）；2实际的运动（有螺距误差）；3补偿前的误差曲线；4补偿后的误差曲线该法由于受挡块及微动开关安装位置的限制，补偿间隙不能小于两个挡块或微动开关的最小安装距离，从而使补偿效果受到限制。2、软件补偿法在CNC系统中可以利用软件进行计算机辅助补偿。所补偿的误差可以是常值系统性误差，如螺距累积误差补偿、反向间隙误差补偿，还可以补偿由热变形等引起的变值系统性误差。如果定期测定各坐标轴的定位误差，由计算机将新的误差曲线存储起来，还可以在机床寿命期间内补偿由于磨损等引起的精度损失，进行坐标轴校准。（1）反向间隙误差补偿其基本思想和硬件补偿法一样。当坐标轴接收到反向指令时，调用间隙补偿程序，自动将齿隙补偿值加到由插补程序算出的位置增量命令中进行补偿。（2）由螺距累积误差等引起的常值系统性定位误差的补偿首先要在机床上建立绝对原点，然后根据实测出的机床某一坐标轴的全程定位误差曲线确定补偿点，列成误差修正表存入计算机，当工作台位移时，由安装在绝对原点出的微动开关发出绝对原点定位信号，以后计算机随时发出对应目标补偿点的误差补偿信息，对机床的定位误差进行补偿。图4-2所示曲线为实测的定位误差曲线，将该曲线以单位补偿脉冲当量进行分割，各交点处即为目标补偿点，对图中15点处由于定位误差均为正值，因而需要作减脉冲补偿，而在点710处则需进行加脉冲补偿。这样经补偿后可由原来全长上定位误差大于6个补偿脉冲当量减为2个补偿脉冲当量（即1个补偿脉冲当量）范围内。图4-2 定位误差补偿点的确定（3）由热变形等引起的变值系统性误差的补偿一般可采用如下两种形式存储误差修正矢量函数。 列表形式对各变量（温度、力等）以适当间距取值，实测出不同变量值时机床主要工作位置的定位误差曲线，确定补偿点，列成误差修正表（或矩阵）存入计算机。微机根据机床位置检测元件测出的坐标位置和由传感器测得的实际变值的数值，通过搜索误差修正表，即可直接或通过插值算法确定定位点的坐标修正量，送入CNC控制系统补偿任意位置的定位误差。 函数形式通过理论分析或实测误差数据建立误差数字模型，将误差函数表达式存入计算机。根据机床的现行坐标位置和实测变量值，由误差函数式实时求出其误差修正量进行误差补偿。以补偿由热变形引起的定位误差为例，首先可通过测定机床某些重要部位的温升和影响定位精度的热变形量的关系，建立温度-热变形数学模型。一般为了进行误差补偿，在机床工作过程中只需监测12个主要部位的温度。例如，通过实验发现一台数控车床的榴板在某一坐标位置上的热位移量与滚珠丝杠轴承座温度T之间存在函数关系，根据实验数据可用最小二乘法拟合出一条曲线，用多项式表示为图4-3为根据实验结果拟合出的温度-热变形曲线。在确定该热变形误差函数表达式后，将其存入计算机，当机床工作时，根据传感器实测温度和机床现行坐标位置，就可自动推算出热变形误差修正量，发出补偿进给脉冲，由步进电机完成无耻补偿。图4-4所示为热变形误差补偿系统框图。一般，列表形式误差补偿有时需要较大的计算机内存，而函数形式存储占用计算机内存较少，但要求实时计算误差修正量，占用计算机较长的运算时间。因而，对机床误差在线补偿，要求计算机有较高的运算速度。图4-3 温度-热变形曲线图4-4 热变形误差补偿系统框图参考文献1林其骏 机床数控系统 中国科学技术出版社 1991年2林其骏 全国高等教育自学考试指导委员会 数控技术及应用 机械工业出版社 2001年3李建文 朱云红 用线纹尺检测数控机床的位置误差 计量技术 2000 No.14李建文 用线纹尺检测数控机床的位置精度 计量与测试技术 1999年 第04期5钟伟弘 关保国 数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿 组合机床与自动化加工技术 2000年 第09期6茅振华 孙鲁涌 慎励进 数控机床嫉妒的激光干涉法测试与补偿 机电工程 1999年 第04期7严勇 数控机床螺距误差的测量与补偿 机电工程技术 2005年第34卷第8期8发展数控机床是我国向制造业强国转变的关键 中国科技产业 2005年 第04期9邹兆东 贺艳 数控系统发展趋势 机械研究与应用 2006年2月 第19卷 第1期10罗然宾 数控技术和装备发展趋势及对策 Equipmengt Manufacturing Technology No.1,200611陈国琛 汪宏强 数控机床位置精度检测与调试 制造技术与机床 2004年第5期12张虎 周云飞 唐小琦 陈吉红 数控机床定位误差的软件补偿 华中科技大学学报 第29
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