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数控机床位置精度及标准设计【3张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: 数控机床位置精度标准设计 cad 图纸毕业论文数控机床位置精度数控机床位置精度及标准位置精度及标准

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数控机床位置精度及标准设计

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数控机床位置精度检测及标准研究

摘要

随着数控机床在我国的发展普及，为准确把握数控机床的性能，有必要对数控机床进行位置精度检测，并对检测结果正确评价。本文对数控机床在我国的发展普及，数控机床位置精度的概念及其重要性，误差组成及误差检测项目，常用检测方法和评定标准等内容进行了介绍；同时综合利用表格、曲线、文字等形式对四种位置精度标准进行较深入的比较研究，得出了一定结论，并且通过在本校实验室实测一台数控机床所得数据进行例证。通过本课题的研究，指出了数控机床位置精度检测评定标准之间的差异，在解决由于数控机床位置精度标准不同而引发争议的问题上做出了尝试的解答。

关键字：数控机床,位置精度，位置精度检测，双频激光干涉仪，标准

Measurements and Standards of The Positioning Accuracy of The CNC Machine Tools

ABSTRACT

With the popularization of the CNC machine tools in CHINA, to find out the real performances of them, it is necessary to perform some measurements of positioning accuracy and make correct evaluations to the relating data. In the text, the popularization of the CNC machine tools in CHINA is introduced. Also introduced are the definition and importance of the positioning accuracy, with the positioning accuracy error and common measuring items included. Followed are the common measuring methods and the relating standards of the CNC machine tools described in details. After that, compare the differences between the four different standards thoroughly, using forms, graphs and words. Drew conclusions based on the forms, graphs and words mentioned above. Certified the conclusions with the data captured in the school laboratory tested one CNC machine tools. Through the study of the subject, the differences between the standards of positioning accuracy of the CNC machine tools are reported and made a answer to the problems concerning the debates aroused by the differences of the standards.

KEY WORDS：CNC Machine Tools, Positioning Accuracy, Measurements of Positioning Accuracy, Interferometer, Standard

第1章绪论 1

1.1 数控机床的重要性 1

1.2 数控机床发展概况 1

1.3 学习数控机床位置精度检测及评定标准差异的重要性 2

1.4 本文的主要内容 3

第2章位置精度 4

2.1 数控机床位置精度的概念 4

2.2 定位误差的特征分量 4

2.2.1 系统误差 4

2.2.2分散性(即随机误差) 5

2.2.3 反向定位的失动量 5

2.2.4 最小可能移动量 6

2.3 机床位置精度的主要检测项目 6

第3章数控机床位置精度的检测 11

3.1 标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法 11

3.1.1测量原理 11

3.1.2 测量方法 11

3.1.3目标位置及循环方式的选择 12

3.1.4 误差分析 12

3.2 双频激光干涉仪检测法 14

3.2.1 双频激光干涉仪的工作原理 14

3.2.2 雷尼绍激光校准系统 15

3.2.3 测量误差分析 21

3.3 对比和分析 22

第4章数控机床位置精度检测的标准 23

4.1国际标准 ISO 230-2 23

4.1.1 术语和代号 23

4.1.2 目标位置的选取 26

4.1.3 结果评价 26

4.2 中国标准 GB 10931-89 27

4.2.1 术语和代号 27

4.2.2 位置精度的评定项目 29

4.2.3 目标位置的选择 30

4.3 德国标准VDI/DGQ 3441 30

4.4 日本标准 JIS B 6336 33

第5章数控机床位置精度评定标准的分析和比较 34

5.1 数据处理方法的比较 34

5.2 标准的对比分析 37

鉴于各个标准之间差异性比较大，下面通过列表进行对比。 37

5.2.1 标准的列表对比 37

见表 5-1 标准比较 37

5.2.2 标准的图象比较 39

5.3 立式加工中心MCV-510检测实例 42

第6章结论和展望 54

参考文献 56

致谢 58

第1章绪论

1.1 数控机床的重要性

数控机床是数值控制的工作母机的总称，它包括数控金属切削机床、锻压机床等。它综合应用了现代机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、液压气动技术、光电技术以及配套技术等领域中的最新成果，融合了“高效、精密、柔性、集成”四大特点，是国民经济的重要基础装备，是机械、电子、汽车、石化和建筑等支柱产业及能源、交通、原材料、通讯等基础产业实现生产现代化的重要手段。数控机床的广泛应用对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。数控机床的技术水平与拥有量是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。而以数控机床为基础建的柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的发展程度，更是一个国家现代化技术和管理水平的综合反映。

1.2 数控机床发展概况

追求高效、高能、以最大限度满足用户需要是机床行业永久性的技术课题。世界各国机床业为了扩大机床加工内容和加强国际市场的竞争力，都以最大限度地满足用户的需要为最高宗旨，他们按照用户提出的各种技术指标和性能要求，不断开发代表本身水平的新型机种，在竞争异常激烈的环境中求生存、求发展。由于数控机床在国家经济发展中处于重要的战略地位，因此，世界各国政府都给予了极大关注。工业发达国家如日本、美国、意大利等，通过制定产业政策，从产业结构、技术发展路线、产品开发、投融资渠道、设备折旧制度、进口限制、出口鼓励、培育市场、人员培训等方面给予大力支持。在这个历史背景下，近十年来世界数控机床的年产量增加了近10倍，发展速度之快，是空前的。

我国数控机床起步于1958年，到1981年以后开始有较大的发展。经过“六五”、“七五”、“八五’的科技攻关和对部分数控机床主机、数控系统和相关配套件重点生产企业进行技术改造使其已初具规模。近年来，我国数控机床的应用范围已从飞机制造、军工、仪器仪表、汽轮机等行业扩展到铁路、纺织、机械制造特别是汽车制造等行业。全国约有90%的行业在应用数控机床。目前，我国数控机床的拥有量已达23000余台。数控机床的产量也从1980年的692台增长到1993年的9478台，不仅是在产量和品种上有了很大增长，在加工工艺、控制技术等方面也有了不少创新和发展。由天津第一机床总厂、中国科学院沈阳计算机技术研究所、中国科学院北京电工研究所、铁道部天津机车车辆厂、天津微特电机厂联合研制的五轴联动高档叶轮立式加工中心达到世界先进水平，并打破了“巴统”的限制，使我国加工中心生产又出现了新的飞跃。由天津市磨床总厂自行开发研制的我国第一台大型精密数控强力成型磨床，填补了国内空白，达到国际同类机床80年代水平，不仅满足了国内用户的迫切需要，而且可替代进口，售价仅是进口的25%,具有重大的经济和社会效益。总之，我国数控机床近年有了很大发展，但是在数量上、质量上、供货周期等诸多方面还存在着很多问题。与世界上各工业发达国家相比，差距仍然很大，尚不能满足我国国民经济总的发展要求。

第6章结论和展望

通过对该课题的学习研究，对数控机床的位置精度的概念和相关检测方法有了一定的认识，同时经上述的图像、文字和表格比较，我们可以发现如下问题:

1. ISO 230-2、GB 10931-89及VDI/DGQ 3441三个标准都是采用数理统计方法进行计算，虽然也允许用极差法进行计算，也只是为了计算标准偏差方便，最终还是用统计方法进行分析的。而唯独JIS B 6336标准采用极差法作为基本分析手段

2.JIS B 6336标准在测取定位精度等参数时，不是采用一次测量获取数据，然后分别计算各种参数的方法，而是各参数分别测量和计算。此外，测量定位精度时每个方向仅一次，测量重复定位精度时，虽同方向趋近目标位置7次，但未规定离开目标位置的距离，实践证明，离开目标距离越远，则实际测得的重复定位精度值越大，反之就小。试验数据表明:当离开目标位置为100mm时，测得其X轴的重复定位精度值为0. 0010mm;当测量距离增加到1000mm时，测得其重复定位精度值为0. 0075mm。因此说，该标准不够严密，而且由此得出的数值显然比其他标准得出的数值小得多，往往会给人以日本机床精度高的错觉。除该标准外，其余三个标准均采用连续的一次测量获取数据，VDI/DGQ 3441 、GB 10931-89和ISO 230-2标准明确规定每个目标位置上正、负两个方向各测5次。

3. 从上表我们可以发现，GB 10931-89与ISO 230－2标准之间有许多相似之外。两者除目标位置数和对重复定位精度的定义有所不同外，（GB 10931-89对目标位置数要求较严，而在重复定位精度方面采用的覆盖因子数较ISO 230一2大，容易出现根据GB 10931-89标准评定的机床重复定位精度较大的情况。）其它项目都是相同的。

4. ISO 230-2标准计算反向量差的方法也不尽完善。这是因为该标准规定反向量差的评定参数是取各点的平均值，当各处有正负时，一旦取其平均值，势必互相抵消，极端情况下甚至会出现行程的某些部位反向量差数值甚大，而全部平均反向量差近似为零的状态，于是掩盖了机床的实际状况。

所以，我们可以得出如下结论：

1.JIS B 6336标准仍采用传统的检验方法，简单易行，但可靠性差。

2. VDI/DGQ 3441、ISO 230－2及GB 10931-89标准均采用数理统计方法求得位置精度，这种方法科学合理，数据较可靠。

3.ISO 230-2标准存在不合理的地方，值得探讨。相比之下，VDI/DGQ 3441标准较为完善。

4.在选择或确定一台数控机床位置精度指标时，须同时考虑所依据的评定标准，否则无法确切判定机床精度的高低。

数控机床的发展一日千里，对不同国家采用有不同机床定位精度标准进行坚持不断的学习、了解，有利于各国机床业者更好的把握其机床的实际性能，但标准的不同，终究是技术交流和相互学习的一个障碍，希望在不久将来各国可以统一数控机床位置精度使用的标准，这样，无论是对数控机床的生产者又或是使用者，无疑都将会是一个好消息。

参考文献

［1］,魏小宁，李言，郭涛，李清，胡红. 数控机床新验收方法.制造业自动化.2001（9）第20页

［2,张纪文崔淑君正确评价数控机床定位精度组合机床与自动化加下技术 2000年第7期第43页

［3］吴小川应用双频激光干涉仪检验数控机床定位精度机械工艺师 2000（ 10）第45页

［4］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 NO.4第7页

［5］董怡论当前数控机床的发展趋向《机械设计》1995 NO.8

［6］刘裕先刘北英机床定位精度两种评定方法的分析制造技术与机床 1995年11期第31页

［7］邝连杰加工中心机床几种定位精度标准的比较组合机床与自动化加工技术 2003年第10期第75页

［8］卢振球进口数控机床位置精度评定标准及讨论现代商检科技第六卷第三期第32页

［9］姜豫生 VDI/DGQ 3441－1977与GB 10931－89 计算精度的异同中国设备管理 1998. 4 第13页

［10］魏智经济型数控机床的精度及误差评定鞍钢技术 1994年第十期第34页

［11］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下技术 2000年第9期第39页

［12］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期第65页

［13］Renishaw laser system manual

［14］Renishaw laser system manual appendix

［15］ZBJ 54 014-88 《数控立式升降台铣床：精度》附录A 第7页

［16］数字控制机床位置精度的评定方法中华人民共和国国家标准 GB 10931-89第457页

［17］test code for machine tools-part 2:Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes

[18]孙宗颖几种定位精度的比较 WMEW

[19]机床试验的原理和方法

致谢

在此次的毕业设计过程中，首先我要感谢我的指导老师严翔，严老师不仅指导帮助我解决了许多设计过程中遇到的问题，更重要的是，通过和老师的交流，我对机械行业有了更多更细致的认识，同时，在日常的行为处事上，严老师对我也起到了重要的影响，从他的身上，我看到了一名教师对工作的认真负责。其次，我要感谢实验室的高峰老师和杨新刚老师，在他们的帮助下，我才能顺利完成论文实验。最后，感谢在这四年来教导过帮助过我的老师和同学，因为有他们的帮助，我才能有今天的成长。

内容简介：: 毕业设计（论文）开题报告题目数控机床位置精度检测及标准研究专业机械设计制造及自动化班级学生指导教师一、毕业设计 (论文 )课题来源、类型本课题为科研、研究性论文二、选题的目的及意义机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素 ,是发展机器制造业以至整个工业必不可少的生产工具 ,既是生产力要素 ,又是重要商品。机床发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。随着微电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及微型计算机技术、人工智能技术等新技术的发展 ,致使数控机床不断升级而逐渐成为评价现代工业发展的重要指标。我国在加入与世界市场激烈竞争中 ,国内外市场对数控机床的需求将日益增多 ,数控机床的发展前景非常广阔 ,这一点对我国机床工业来讲既是机遇又是挑战。进入 21 世纪 ,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机 ,也遭遇到加入激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲 ,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。作为数控机床两个基本评定指标之一的高精度，是国家重点发展的项目之一。数控机床的位置精度有其特殊意义，它是表明所测量的机床各运动部件在数控装置控制下运动所能达到的精度。因此，根据实测的定位精度数值，可以判断出这台机床以后自动加工中能达到的最好的工件加工精度。通过数控机床定位精度的检测及标准研究，有助于数控机床生产商及购买者对机床的定位精度进行正确判断，有利于高精度数控机床的研发及推广。另一方面，由于国内外对数控机床定位精度的检测方法及所使用的标准的不同，容易产生歧义，造成不必要的经济损失甚至是法律纠纷。为此，通过对国内外标准之间的分析比较的研究，有利于进一步减少这种意外的发生，具有积极的现实意义。三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势对于数控机床定位精度的检测，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于国内目前双频激光干涉仪数量较少，国内常采用线纹尺显微镜法进行测量。对于标准的采用，国外有国际标准 30国标准 441、日本标准 6336。我国则采用标准中德国标准与国际标准数据采集及处理上较为相似。而我国的行业标准的制定是以国际标准为基础，在精度及数据处理方面和国际标准相似。四、本课题主要研究内容本课题主要研究数控机床定位精度及其三种检测方法及标准 ,通过学习数控机床定位精度的具体内容，了解数控机床定位精度检测的三种方法块规法、线纹尺显微镜法及双频激光干涉仪检测法。其中重点学习双频激光干涉仪在直线运动定位精度检测中的工作原理、使用方法及后续数据采集与处理。在标准方面，学习了解标准中的国际标准 30国标准 441、日本标准 6336 及我国标准析各标准数据采集及处理方法并通过表格、曲线及文字形式对四种标准作比较并得出一定结论。由于标准中的日本标准及德国标准均为原文标准，相信在理解上会有难度，故研究将在这方面更多的参照目前国内的一些分析报告。五、完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）本论文完成手段主要为查阅图书馆藏书、期刊中对数控机床定位精度的定义及相应检测手段和所采用的标准。同时通过网络查阅国内外相关的数控机床验收及位置精度检测手段的研究论文，加深对该课题的认识和理解。通过上述准备，本论文将对目前国际盛行的数控机床位置精度检测中的双频激光干涉仪的工作原理及相关使用进行介绍，同时通过对国际标准、德国标准、日本标准及中国标准的学习，将通过表格、曲线及文字形式对四种标准的数据采集方法及后续数据处理方式进行分析比较。六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标：第三周，进行资料的收集并编写开题报告；第四周，整理资料并编写文件综述；第五周，理解掌握数控机床位置精度检测内容及项目；第六周，学习数控机床定位精度检测的中国标准及德国标准；第七周，学习数控机床定位精度检测的国际标准及日本标准；第八周，学习定位精度检测方法中的块规检测法及线纹尺显微镜检测法；第九周，重点学习掌握双频激光干涉仪检测法；第十周，计算机绘制 0 号及 1 号检测示意图；第十一周，手工绘制 0 号图纸；第十二周，整理资料并对四种位置精度标准进行较深入的研究；第十三、十四周，用表格、曲线、文字等形式对四种不同标准进行分析比较并得出一定结论；第十五周，整理论文资料并开始编写论文；第十六周，编写论文；第十七周，论文答辩。七、指导教师意见对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师：八、所在专业审查意见负责人：毕业设计（论文）题目数控机床位置精度的检测及标准研究专业机械设计制造及其自动化班级学生指导教师数控机床位置精度检测及标准研究摘要随着数控机床在我国的发展普及，为准确把握数控机床的性能，有必要对数控机床进行位置精度检测，并对检测结果正确评价。本文对数控机床在我国的发展普及，数控机床位置精度的概念及其重要性，误差组成及误差检测项目，常用检测方法和评定标准等内容进行了介绍；同时综合利用表格、曲线、文字等形式对四种位置精度标准进行较深入的比较研究，得出了一定结论，并且通过在本校实验室实测一台数控机床所得数据进行例证。通过本课题的研究，指出了数控机床位置精度检测评定标准之间的差异，在解决由于数控机床位置精度标准不同而引发争议的问题上做出了尝试的解答。关键字：数控机床 ,位置精度，位置精度检测，双频激光干涉仪，标准 of NC to of it is to of to In of NC is of of NC in on in NC of of of NC a to by of 录第 1 章绪论 . 1 控机床的重要性 . 1 控机床发展概况 . 1 习数控机床位置精度检测及评定标准差异的重要性 . 2 文的主要内容 . 3 第 2 章位置精度 . 4 控机床位置精度的概念 . 4 位误差的特征分量 . 4 统误差 . 4 散性 (即随机误差 ) . 5 向定位的失动量 . 5 小可能移动量 . 6 机床位置精度的主要检测项目 . 6 第 3 章数控机床位置精度的检测 . 11 准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法 . 11 量原理 . 11 量方法 . 11 标位置. 12 差分析 . 12 频激光干涉仪检测法 . 14 频激光干涉仪的工作原理 . 14 尼绍激光校准系统 . 15 量误差分析 . 21 比和分析 . 22 第 4 章数控机床位置精度检测的标准 . 23 际标准 30. 23 语和代号 . 23 标位置的选取 . 26 果评价 . 26 国标准 0931. 27 语和代号 . 27 置精度的评定项目 . 29 标位置的选择 . 30 德国标准 441 . 30 日本标准 6336 . 33 第 5 章数控机床位置精度评定标准的分析和比较 . 34 据处理方法的比较 . 34 准的对比分析 . 37 鉴于各个标准之间差异性比较大，下面通过列表进行对比。 . 37 准的列表对比 . 37 见表 5准比较 . 37 准的图象比较 . 39 式加工中心测实例 . 42 第 6 章结论和展望 . 54 参考文献 . 56 致谢 . 58 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 1 第 1 章绪论控机床的重要性数控机床是数值控制的工作母机的总称，它包括数控金属切削机床、锻压机床等。它综合应用了现代机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、液压气动技术、光电技术以及配套技术等领域中的最新成果，融合了“高效、精密、柔性、集成”四大特点，是国民经济的重要基础装备，是机械、电子、汽车、石化和建筑等支柱产业及能源、交通、原材料、通讯等基础产业实现生产现代化的重要手段。数控机床的广泛应用对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。数控机床的技术水平与拥有量是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。而以数控机床为基础建的柔性制造系统 (计算机集成制造系统 (发展程度，更是一个国家现代化技术和管理水平的综合反映。控机床发展概况追求高效、高能、以最大限度满足用户需要是机床行业永久性的技术课题。世界各国机床业为了扩大机床加工内容和加强国际市场的竞争力，都以最大限度地满足用户的需要为最高宗旨，他们按照用户提出的各种技术指标和性能要求，不断开发代表本身水平的新型机种，在竞争异常激烈的环境中求生存、求发展。由于数控机床在国家经济发展中处于重要的战略地位，因此，世界各国政府都给予了极大关注。工业发达国家如日本、美国、意大利等，通过制定产业政策，从产业结构、技术发展路线、产品开发、投融资渠道、设备折旧制度、进口限制、出口鼓励、培育市场、人员培训等方面给予大力支持。在这个历史背景下，近十年来世界数控机床的年产量增加了近 10倍，发展速度之快，是空前的。我国数控机床起步于 1958年，到 1981年以后开始有较大的发展。经过“六五”、“七五”、“八五的科技攻关和对部分数控机床主机、数控系统和相关配套件重点生产企业进行技术改造使其已初具规模。近年来，我数控机床的位置精度检测及标准研究 2 国数控机床的应用范围已从飞机制造、军工、仪器仪表、汽轮机等行业扩展到铁路、纺织、机械制造特别是汽车制造等行业。全国约有 90%的行业在应用数控机床。目前，我国数控机床的拥有量已达 23000 余台。数控机床的产量也从 1980 年的 692台增长到 1993年的 9478台，不仅是在产量和品种上有了很大增长，在加工工艺、控制技术等方面也有了不少创新和发展。由天津第一机床总厂、中国科学院沈阳计算机技术研究所、中国科学院北京电工研究所、铁道部天津机车车辆厂、天津微特电机厂联合研制的五轴联动高档叶轮立式加工中心达到世界先进水平，并打破了“巴统”的限制，使我国加工中心生产又出现了新的飞跃。由天津市磨床总厂自行开发研制的我国第一台大型精密数控强力成型磨床，填补了国内空白，达到国际同类机床 80 年代水平，不仅满足了国内用户的迫切需要，而且可替代进口，售价仅是进口的 25%,具有重大的经济和社会效益。总之，我国数控机床近年有了很大发展，但是在数量上、质量上、供货周期等诸多方面还存在着很多问题。与世界上各工业发达国家相比，差距仍然很大，尚不能满足我国国民经济总的发展要求。进入 90年代后，随着我国汽车、能源、交通等产业建设速度的加快，给数控机床的市场带来了空前的发展机遇。然而，据有关部门统计， 1993年我国数控机床的消费量为 18525台，而国内生产量仅为 9478台，进口量竟达 10751台，分别为三年前消费量的产量的口量的 24倍。从以上数据可以看出 :我国数控机床的市场需求旺盛，前景看好，同时，处于发展中的我国数控机床制造业正承受着巨大的冲击。市场竞争和不平衡的加剧，使我国数控机床处于生存危机之中。 5 习数控机床位置精度检测及评定标准差异的重要性针对我国数控机床需求大，进口依赖性强的特点，学习了解如何评定数控机床性能，显得十分重要。数控机床定位精度是数控机床最重要的、最能代表机床特征的一项指标。德国工程师协会和德国质量学会发布的床工作精度和位置精度的统计检验原理技术规范中，2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 3 明确指出 :“确定机床的位置精度，特别是数控机床有重大意义。”该规范又着重指出 :“在一切有定位装置的机床，特别是数控机床，位置精度是一个重要的特征。”同时，由于数控机床起步较晚 ,一些工业发达国家在发展数控机床的过程中逐渐形成了各自不同的定位精度评定标准 ,后来形成的国际标准也未能得到完全贯彻。因为不同厂商采用不同的定位精度评定标准 ,检验方法各异 ,所以单从广告提供的允差值并不能正确比较数控机床定位精度的水平。当某一机床制造厂商在某数控机床销售广告上注明其定位精度为，用户往往会认为前者比后者的精度高，然而很可能后者比前者精度更高，这完全取决于各厂商采取何种精度定义和计算方法。278 文的主要内容本文对数控机床位置精度的概念、误差组成和相关检测方法标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法和双频激光干涉仪检测法及相关评定标准中国标准 0931际标准 30国标准 441和日本标准 6336 进行了介绍，同时通过表格、曲线和文字等方式对数控机床位置精度的评定标准进行比较，指出了评定标准之间的差异。本文意在通过阐明数控机床位置精度的检测方法和标准之间的差异，为解决由于数控机床位置精度评定标准不一而引发争议的问题做出尝试性的解答。数控机床的位置精度检测及标准研究 4 第 2 章位置精度控机床位置精度的概念数控机床定位精度指的是机床各坐标轴在数控装置控制下运动部件所能达到的目标位置的准确程度。机床各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的 ,各运动部件在程序指令控制下所能达到的精度直接影响加工零件的精度 ,它反映了机床轴在行程内任意定位点的定位稳定性 ,所以机床制造厂在销售产品样本中为反映该机床的精度指标 ,着重介绍了直线轴的定位精度和重复定位精度。 6 位误差的特征分量一个移动部件沿直线 (或圆 )向既定位置趋近定位，总会存在定位误差。定位误差的基本特征分量主要有四项。统误差系统误差是指在一定或整个行程中的系统性误差 (图 2它的特殊部分就是周期性误差。产生系统误差的原因，主要是机床位移系统的基本元件 (如丝杠、螺母、轴承等 )或位移测量系统的基本元件 (如刻线尺、同步感应器定尺等 )或温度变化的影响等的误差。而丝杠止推轴承的轴向振摆以及由旋转编码盘测量位移时的码盘一转累积误差，将引起它的周期误差。系统误差对定2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 5 位精度影响很大，尤其周期性误差的存在，将使移动长度的很小改变，导致位置误差的很大变化。如图 1中移动长度 1稍大一些，其位置误差 1大许多，尤其当从移动长度 2 点时，会产生散性 (即随机误差 ) 分散性是机床移动部件反复移向各个目标位置时，实际到达位置的精确性。分散性受移动速度、导轨摩擦特性、热、力、读数视差等因素的影响。它可由反复向同一目标位置沿同方向多次定位得到 (图 2 向定位的失动量失动量为在向某一位置作正向和负向定位后，两个静止位置之差。失动量的产生，一是驱动电机、传动元件和机床执行件间存在着间隙，二是传动系统的柔度和导轨摩擦特性的影响。失动量的测量如图 2于每一个特定点的目标位置分别测量正向和负向趋近目标位置然后取其代数差值数控机床的位置精度检测及标准研究 6 小可能移动量最小可能移动量，是机床移动执行部件实际能够给出的最小位移量。该移动量理论上应为机床数控系统的脉冲当量 (对数控机床而言 )，但由于导轨的摩擦、传动系统柔度、工作台及其上面放置工件的质量所引起的惯性以及润滑条件等的综合作用，它往往大于脉冲当量值。对于微小量进给加工和校正移动的准确性来说，最小可能移动量十分重要。所以，应该规定其最大允许值，并加以检验。除上述四种特征分量之外，对有坐标原点之坐标行程的检测，还有一个测量原点复归精度 (一般是由热影响所致的“零点飘移”引起 )的问题，亦应进行测量并规定允差。对于数控机床，还应考虑维持伺服驱动的速度输出与稳态下位置误差间成正比关系的位置回路增益，以及伺服控制驱动对步进速度输出指令的响应这两个动态分量的影响。 6 机床位置精度的主要检测项目机床位置精度的主要检测项目有 : (1)直线运动位置精度 (包括 X,Y,Z,U,V,W 轴 ); (2)直线运动重复定位精度 ; (3)直线运动反向间隙 (失动量 )测定 ; (4)直线运动的原点返回精度； (5)回转运动定位精度 (转台 A,B,C 轴 ); (6)回转运动重复定位精度 ; (7)回转轴原点的返回精度； (8)回转运动反向间隙 (失动量 )测定。直线运动的检测工具有：测微仪和成组块规，标准长度刻度尺和光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。标准长度测量以双频激光干涉仪为准。回转运动的检测工具有： 360度齿精确分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅及平等光管等。本文将在第 3章中介绍机床位置精度检测的直2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 7 线运动位置精度检测方法。（ 1）直线运动定位精度检测直线运动定位精度一般都在机床和工作台空载条件下进行。常用检测方法如图 2 图 2线运动定位精度检测按国家标准和国际标准化组织的规定（对数控机床的检测，就以激光测量（图 2-4 a）为准。但目前国内激光测量仪较少，大部分数控机床生产厂的出厂检测及用户验收检测还是用标准尺进行比较测量（图2-4 b）。为了反映出多次定位中的全部误差， d 。所以这时的定位精度曲线已不是一条曲线，而是一个由定位点平均值连贯起来的一条曲线加上 3d 散差带构成的定位点散差带，如图 2 数控机床的位置精度检测及标准研究 8 图 2位精度曲线此外，数控机床现有定位精度都是以快速定位测定，这也是不全面的。在一些进给传动链刚度不太好的数控机床上，采用不同进给速度定位时会得到不同的定位精度曲线和不同的反向死区（间隙），因此，对一些质量不高的数控机床，即使有很好的出厂定位精度检查数据，也不一定能成批加工出高加工精度的零件。另外，机床运行时正、反向定位精度曲线由于综合原因，不可能完全重合，甚至于出现图 2 即正向曲线和反向曲线在垂直坐标上很均匀的拉开一段距离，这段距离即反映了该坐标轴的反向间隙。这里可以用数控间隙补偿功能修改间隙补偿值来使正、反向曲线接近。这两类曲线都是由于被测坐标轴上反向间隙不均匀造成的。滚珠丝杠在行程内间隙过盈不一致和导轨副在行程各段的负载不一致等是造成反射间隙不均匀的主要原因。反射间隙不均匀现象较多表现在全行程内一头松一头紧，得到喇叭型的正、反向定位曲线。如果此时又不恰当地使用数控系统的间隙补偿功能，就造成交叉型曲线。测定的定位精度曲线还与环境温度和轴的工作状态有关。目前大部分数控机床都是半闭环的伺服系统，它不能补偿滚珠丝杠的热伸长，该热伸长能使定位精度在一米行程上相关此，有些机床采用预拉伸的方法来减小热伸长的影响。（ 2）直线运动重复定位精度的检测检测用的仪器与检测定位精度所用的相同。一般检测方法是在靠近各坐标行程的中点及两端的任意三个位置进行测量，每个位置用快速移动定位，在相同条件下重复作七次定位，测出停止位置数值并求出读数的最大差值。以三个位置中最大一个差值的二分之一，附上正负符号，作为该坐标的重复定位精度。它是反映轴运动精度稳定性的最基本的指标。 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 9 （ 3）直线运动的原点返回精度原点返回精度，实质上是该坐标轴上一个特殊点的重复定位精度，因此它的测定方法完全与重复定位精度相同。图 2几种不正常的定位曲线（ 4）直线运动失动量的测量失动量的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，再在同一个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（如图 2在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测量（一般为七次），求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为失动量的测量值。数控机床的位置精度检测及标准研究 10 图 2动量测量坐标轴的失动量是该坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电机、伺服油马达和步进电机等）的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙和弹性变形等误差的综合反映。这误差越大则定位精度和重复定位精度也越差。 19 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 11 第 3 章数控机床位置精度的检测在数控机床的检测中，测量直线运动的检测工具有：测微仪和成组块规，标准长度刻度尺和光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。鉴于目前国内已经很少再使用测微仪和成组块规进行机床位置精度检测，本文不再对它进行介绍，只对标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法及双频激光干涉仪检测法进行介绍。准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法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 (单独偏差 )。当数控机床沿被测坐标轴的轴线方向上作直线移动到目标位置 p1,p2,p3,下标为目标位置序号 ),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 ,经过误差修正得到该目标位置的实际位置。根据 0931实际位置减目标位置之差值即为该测点的位置偏差即 : ij ij P=-(3根据这些位置偏差及位置精度的评定方法 ,经过数据处理 ,即可得到该轴线的定位精度 ,重复定位精度和轴线的反向差值等精度指标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 3-1 反复调整线纹尺 ,使之与被测坐标的轴线方向一致 ,若检测竖直方向 (轴 )的位置精度 ,可用方箱作为定位基面，如图 3-1 数控机床的位置精度检测及标准研究 12 标位置目标位置的选择必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 ,一般应符合式 (3 ( 1)jP j t r= - + (3式中 :j目标位置序号 ;,2,m, T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 当选择目标位置的数目时 ,需考虑测量范围的尺寸和需要的测量时间 ,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。运动换向需要的起点和终点位置应靠在被测坐标轴线的端点位置。循环方式是指测量时机床运动部件的循环运动的方式。一般有线性循环和阶梯循环两种方式差分析标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法测量误差来源及分析如下（ 1）仪器的极限误差 1 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 13 （ 2）标准件的误差 1 它是标准器本身固有的误差 ,与测量方法无关。（ 3）安装误差 1 它主要是由测量轴线 (线纹尺 )与机床移动的轴线不平行而引起的误差。其量值大小与其测量长度的余弦成正比 . 即 : 1(1由于用杠杆千分表进行校正 ,其 8q ,此项误差可忽略不计（ 4）温度误差 1 由于测量过程中线纹尺和机床的光栅尺存在着温度误差 ,必须对各点的位置偏差进行误差修正。根据温度误差的计算公式得温度误差的修正值 : 2 2 1()L L t a -(3式中： a 线纹尺或机床光栅尺的线膨胀系数； L测量长度；机床光栅尺的温度；线纹尺的温度；由 (3微分可得 : 2 2 1 2 1()L L t t L t = - d a + a d ( - )(3式 (3 ,21()L t t- 式 (3 ,21L t ta d( - )表示由于测量过程中温度测量不准确而造成的误差 12 2 2 22 1 2 1( ) ( )t t t t t? d a + a a - （ 3 （ 5）估读误差 1 测量总误差为 : 1 2 2 2 2 2l i m 1 l i m 2 l i m 3 l i m 4 l i m 5? + + + （ 3 从上面分析可以看出 ,在诸项误差中 ,温度误差中的线膨胀系数的误数控机床的位置精度检测及标准研究 14 差21()L t t- t ta a ( - )两项是影响最大的 ,它不但包括温度测量的误差 ,还包括标准件和被测件各部位的温度均匀性。为了减少这项误差 ,要求在测量时 ,标准件和被测件需在恒温条件下长时间等温 ,以保证各处温度的均匀性 ;同时要尽量提高温度测量的精度。另外 ,如果测量时安装不得当 ,由安装所造成的误差也是不可忽略的 4 频激光干涉仪检测法频激光干涉仪的工作原理激光干涉测量原理如图 3将置于永久磁场中，由于塞曼效应使激光原子谱线分裂为旋转方向相反的左右圆偏振光。设两束光振幅相同，频率分别为1左右圆偏振光经 /4l 片 2后变成振动方向相互垂直的线偏振光。分光器 3将一部分光束反射，经检偏器 4 形成1f:2接收器 5 接收为参考信号 ;另一部分光束通过分光器 3进入偏振分光器 6,其中平行于分光面的频率为2 到达可动反射镜 8，可动反射镜 8以速度于多普勒效应产生差频这时22f f f= +)机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 15 振光完全发射到固定反射镜 7。从反射镜 7和 8发射回来的两束光到偏振分光器 6的分光而会合，再经转向棱镜 9,偏振器 10，由接收器 11接收为测量信号，测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差计数器在时间脉冲数 : 0tN 由于 2 ( / )f v c f= 而 /v d t d lf c l= 所以 00( 2 / ) 2 /f d t f d l = =蝌故测量距离 L 为 ( / 2) 式中 N 累计脉冲数 l 激光波长 C 光速因此，当移动可动反射镜 8时，可通过累计脉冲数得到测量距离。当把测量距 i 离与数控机床上的光栅尺读数相减时即可得到数控机床的定位误差。 3 尼绍激光校准系统下面以使用英国雷尼绍激光校准系统进行线性测量为例，介绍双频激光干涉仪检测法： (1)线性测量原理数控机床的位置精度检测及标准研究 16 图 3性测量的光学设置将一个线性反射镜连接到具有两个紧螺纹的分光镜上，组成 “ 线性干涉镜 ” ，作为激光束的参考路径。线性干涉镜位于，如图 3光镜管上标有两个箭头显示其方位。箭头应指向两个反射镜，如上图所示。图 3量原理 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 17 分为两道光束。一道光束（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。两道光束再反射回分光镜，重新汇聚之后返回激光头，其内部的一个探测器监控两道光束间的干涉。在进行线性测量时，保持其中的一个光学元件不动（常常是干涉镜），而另一个则沿着线性轴移动，如图 3示。定位测量是通过监控测量及参考光束间光路差异的变化进行（两个光学元件间的差分测量与通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的任何误差。用于测量线性定位的典型系统设置如图 3示：图 3于测量定位的典型系统设置（ 2）进行线性测量的一般步骤：数控机床的位置精度检测及标准研究 18 (3)简单线性准直步骤如果对使用这个系统很有经验，可以使用简便快捷的快速准直步骤。床被测轴移动反射镜一小段距离，将光靶安装到反射镜上。准直激光器，使光束通过整个运动轴击中光靶的中心。有必要，水平平移激光头，以便从线性干涉镜和反射镜中返回的光束击中光闸上的光靶。图 3-6 光束回到光靶的中心。图 3-7 查返回的光束在激光头的准直度。在激光头处，任何光束的光路准直误差产生的影响都会加倍，可以很容易发现。光镜快速堆直步骤（ 1）沿着运动轴将反射镜与干涉镜分开。 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 19 图 3 2）移动机床工作台，当光束离开光靶外圆时停止移动。图 3垂直光束调整（ 3）使用激光头后方的指形轮使两道光束回到相同的高度。图 3控机床的位置精度检测及标准研究 20 （ 4）使用三脚架中心主轴上的高度调整轮使激光头上下旋转，直到两道光束都击中光靶中心。图 3平光束调整（ 5）用三脚架左后方的小旋钮，调整激光头的角度偏转，使两道光束彼此重叠。图 3 6）用三脚架左边中间的大旋钮，调整激光头的水平位置，使两道光束击中光靶的中心。图 3 7）沿着运动轴重新开始移动机床工作台。在看到光束移开光靶时再次停止。重复步骤 3到 6，直到完成整个轴向的光镜准直。 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 21 (8)达到轴的末端时，将机床移回，使反光镜及线性反射镜互相靠近。注：若其中一道光束离开光闸的光靶，是由于反光镜侧向偏移所造成。上下左右移动反光镜，使从反光镜返回的光束与干涉镜的光束在光闸的光靶上互相重叠。重复步骤 1到 10，直到两道光束在整个运动轴长度范围内都保持在光靶的中心。 (9)保持光束和测量轴准直。将光闸旋转到其测量位置，如图 3反光镜沿着机床的整个运动长度移动时，检查线性数据采集软件中显示的信号强度。图 3下来，启动环境补偿功能并确保在软件中输入正确的材料膨胀系数。然后采集线性数据。量误差分析双频激光干涉仪的误差项目包括： (1)双频激光干涉仪的极限误差1710 式中： m) (2)安装误差 D 2 它主要是由测量轴线与机床移动的轴线不平行而引起的 2 (1 c o s )L ?式中 : m) 数控机床的位置精度检测及标准研究 22 q 由于光路准直 ,q 值趋于 0,故此项误差忽略不计 (3)温度误差 D 3 它主要是由机床温度和线膨胀系数不准确而造成的 223 ( ) ( )t t d 贝 +? 式中 : L测量的长度 (m) 机床温度测量误差 A机床材料线膨胀系数线膨胀系数测量误差从上面分析可以看出 ,在各项测量误差中 ,温度误差对测量结果的准确性影响最大 ,所以 ,为了保证测量结果的准确性 ,测量环境温度应满足20 5 度 ,且温度变化应小于 h,测量前应使机床等温 12h 以上 ,同时要尽量提高温度测量的准确度。另外 ,如果测量时安装不得当 ,由安装所造成的误差也是不可忽略的比和分析对比和双频激光干涉仪检测法中误差组成，可发现，标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法中的误差包含的误差更多，误差更大。标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法检测技巧对检测精度的影响比较大，较好的情况下可控制到 000,而用激光测量，误差小，测量精度可比标准尺检测方法提高一倍。因此，在进行数控机床位置精度检测时，应以双频激光干涉仪检测法为准。 2006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 23 第 4 章数控机床位置精度检测的标准目前 ,国际上比较通行的数控机床位置精度检测标准有国机床制造商协会标准 )、本工业标准 )、国工程师协会 /德国质量协会标准 )、际标准 )等，我国亦在颁布有国家标准 0931部分 :数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定。在本文里，只讨论国际标准 30国标准 0931本标准 6336 及德国标准 441。际标准 30部分的准定义了在数控机床上直接测量单轴进行位置精度和重复定位精度测试和评价的方法。注意：该方法不适用于同时在数控机床上进行多个轴测试的情况。语和代号 30 (a）轴向行程线性或旋转轴在数控系统驱动下组件可达到的最大行程。 (b)测量行程轴线行程的一部分，用于数据集体。选择部分的第一个及最后一个点可以单向趋近。 (c)目标位置 i 1 m）编程控制运动部件通过的点，附录中定义了沿轴线或绕轴线目标点的选取方法。 (d)实际位置 i 1 m； j 1 n）运动部件在 j 次测试中到达第 (e)位置偏差 ij ij P=-(4(f)单向表示在一系列的测量中总是沿着或绕着轴线从草棚个方向数控机床的位置精度检测及标准研究 24 趋近进行测量。符号表示以正向趋近目标点，符号则表示以负方向趋近，例如 (g)双向表示在一系列的测量中，沿着或绕着轴线在两个方向上趋近目标点进行测量。 (h)扩展不确定度用于量化在测量结果可能包含的偏差间隔 (i)覆盖因子为取得扩大偏差而使用的组合标准偏差乘数因子 (j)单向平均位置偏差置偏差的数学平均值。 11 ni ?(411 ni ?(4(k)双向平均位置偏差正负方向趋近目标位置向平均位置偏差算术平均值 (l)反向差值正负方向趋近目标位置向平均位置偏差差值 i i X= ? ?(4(m)轴线反向差值 B：反向差值绝对值的最大值 m =(n)轴线平均反向差值 B ：沿着或绕着轴线的所有目标位置的反向差值11 m = (4(o)单向标准偏差 211 ()1ni i j ? ? ?-(42006 届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文） 25 211 ()1ni i j ? ? ?-(4(p)单向重复定位精度使用覆盖因子 2 的扩展不确定度取得的目标位置 4 ?(44 ?(4(q)双向重复定位精度 m a x 2 2 ; ;i i i i i S B R (r)轴线的单向重复定位精度 R 或 R 及双向重复定位精度 R：沿着或绕着轴线在任意目标位置 m a (4 m a (4 4(s)轴线的单向系统定位偏差 E 或 E?:沿着或绕着轴线在单向趋近任意目标位置点最小平均位置偏差值的代数差值。 m a x m i ? ?犏犏臌臌(4m a x m i ? ?犏犏臌臌(4(t)轴线双向系统定位偏差 E：沿着或绕着轴线双向趋近任意目标位置点值的代数差值。 m a x m i ni i i X X ? ? ? ?犏犏臌臌 (4(u)轴线的双向平均定位偏差 M：沿着或绕着轴线在任意目标位置点数控机床的位置精度检测及标准研究 26 值的代数差值。 m a x m i 犏犏臌臌 (4(v)轴线单向定位精度 A 或 A ：单向系统偏差和使用覆盖因子 2的单向标准偏差联合的离散值。 m a x 2 m i n 1 数控机床位置精度检测及标准研究一，数控机床位置精度定义数控机床定位精度是指机床各坐标轴在数控装置控制下运动部件所能达到的目标位置的准确程度。一个移动部件沿直线 (或圆 )向既定位置趋近定位，总会有定位误差存在。定位误差的基本特征分量主要有四项。系统误差是指在一定或整个行程中的系统性误差 (图 1。它的特殊部分就是周期性误差。产生系统误差的原因，主要是机床位移系统的基本元件 (如丝杠、螺母、轴承等 )或位移测量系统的基本元件 (如刻线尺、同步感应器定尺等 )或温度变化的影响等的误差。而丝杠止推轴承的轴向振摆以及由旋转编码盘测量位移时的码盘一转累积误差，将引起它的周期误差部分。系统误差对定位精度影响很大，尤其周期性误差的存在，将使移动长度的很小改变，导致位置误差的很大变化。如图 1 中移动长度比大一些，其位置误差比许多，尤其当从移动长度时，会产生即随机误差 ) 分散性是机床移动部件反复移向各个目标位置时，实际到达位置的精确性。分散性受移动速度、导轨摩擦特性、热、力、读数视差等因素的影响。它可由反复向同一目标位置沿同方向多次定位得到 (图 2). 2 失动量为在向某一位置作正向和负向定位后，两个静止位置之差。失动量的产生，一是驱动电机、传动元件和机床执行件间存在着间隙，二是传动系统的柔度和导轨摩擦特性的影响。失动量的测量如图 3。对于每一个特定点的目标位置应分别测量正向和负向趋近目标位置然后取其代数差值最小可能移动量，是机床移动执行件实际能够给出的最小位移量。该移动量理论上应为机床数控系统的脉冲当量 (对数控机床而言 )，但由于导轨的摩擦、传动系统柔度、工作台及其上面放置工件的质量所引起的惯性以及润滑条件等的综合作用，它往往大于脉冲当量值。对于微小量进给加工和校正移动的准确性来说，最小可能移动量十分重要。所以，应该规定其最大允许值，并加以检验。除上述四种特征分量之外，对有坐标原点之坐标行程的检测，尚有一个测量原点复归精度 (一般多由热影响所致的“零点飘移”引起 )的问题，亦 3 应进行测量并规定允差。对于数控机床，还应考虑维持伺服驱动的速度输出与稳态下位置误差间成正比关系的位置回路增益，以及伺服控制驱动对步进速度输出指令的响应这两个动态分量的影响。定位精度也可以理解为机床的运行精度。各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的 ,各运动部件在程序指令控制下所能达到的精度直接影响加工零件的精度 ,它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性 ,所以定位精度是一项很重要的检测内容。因而定位精度也是加工中心机床最重要的，最具有该类机床特征的一项指标。机床位置精度的主要检测项目有 : (1)直线运动位置精度 (X ,Y,Z,U,V, ); (2)直线运动重复定位精度 ; (3)直线运动反向间隙 (失动量 )测定 ; (4)回转运动定位精度 (A,B,; (5)回转运动重复定位精度 ; (6)回转运动反向间隙 (失动量 )测定。二，数控机床位置精度检测的常用方法数控机床位置精度检测的常用方法中，国内比较常用的方法有块规法和线纹尺，近年来随着大家对数控机床位置精度检测的重视，已经有越来越多的厂家开始使用国际上比较流行的双频激光干涉仪对机床进行检测。纹尺显微镜检测法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 (单独偏差 )。当数控机床沿被测坐标轴的轴线方向上作直线移动到目标位置 p1,p2,p3,下标为目标位置序号 ),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 ,经过误差修正得到该目标位置的实际位置 i 为检测序号 )。根据的 4 位置偏差定义 ,实际位置减目标位置之差值即为该测点的位置偏差即 : ij ij P=-(2根据这些位置偏差及位置精度的评定方法 ,经过数据处理 ,即可得到该轴线的定位精度 !重复定位精度和轴线的反向差值等精度指标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 反复调整线纹尺 ,使之与被测坐标的轴线方向一致 ,若检测竖直方向 (轴 )的位置精度 ,可用方箱作为定位基面。如图 2-1 图 2-1 a 图 2-1 b 标位置循环方式的选择目标位置的选择必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 ,一般应符合式 (2) t+r (2式中 :j目标位置序号 ;,2,m, T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目标位置的取值的小数部分 ,位数与最小设定单位相当 ,每 5 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 当选择目标位置的数目时 ,需考虑测量范围的尺寸和需要的测量时间 ,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。运动换向需要的起点和终点位置应靠在被测坐标轴线的端点位置。循环方式是指测量时机床运动部件的循环运动的方式。一般有线性循环和阶梯循环两种方式。量测量前被测机床和线纹尺等应在 20 5室温内等温 12h。测量时将三只分度值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。测量时应控制温度的变化率 ,空气温度的稳定性应不超过。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按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。差分析根据上述测量原理及方法 ,其测量误差来源及分析如下 1 1是标准器本身固有的误差 ,与测量方法无关。 1主要是由测量轴线 (线纹尺 )与机床移动的轴线不平行而引起的误差。其量值大小与其测量长度的余弦成正比即 : 1(1式 2由于用杠杆千分表进行校正 ,其 8q ,此项误差可忽略不计 1 (2微分可得 : 6 2 2 1 2 1()L L t t L t = - d a + a d ( - )(2式 (2 ,21()L t t- 度计量手册中查出大差值。21L t ta d( - )表示由于测量过程中温度测量不准确而造成的误差则 12 2 2 22 1 2 1( ) ( )t t t t t? d a + a a - （ 2 1测量总误差为 : 1 = 2 2 2 2 2l i m 1 l i m 2 l i m 3 l i m 4 l i m 5? + + + (2从上面分析可以看出 ,在诸项误差中 ,温度误差中的线膨胀系数的误差21()L t t- t ta a ( - )两项是影响最大的 ,它不但包括温度测量的误差 ,还包括标准件和被测件各部位的温度均匀性。为了减少这项误差 ,要求在测量时 ,标准件和被测件需在恒温条件下长时间等温 ,以保证各处温度的均匀性 ;同时要尽量提高温度测量的精度。另外 ,如果测量时安装不得当 ,由安装所造成的误差也是不可忽略的。频激光干涉仪检测法频激光干涉仪的工作原理激光干涉测量原理如图 2 7 将 e 激光器 1 置于永久磁场中，由于塞曼效应使激光原子谱线分裂为旋转方向相反的左右圆偏振光。设两束光振幅相同，频率分别为1左右圆偏振光经 /4l 片 2后变成振动方向相互垂直的线偏振光。分光器 3将一部分光束反射，经检偏器 4形成 f 1 :f 2拍频信号。由接收器 5接收为参考信号 ;另一部分光束通过分光器 3进入偏振分光器 6,其中平行于分光面的频率为2到达可动反射镜 8，可动反射镜 8 以速度 V 移动时，由于多普勒效应产生差频这时2 2f f f= + )f 1 的线偏振光完全发射到固定反射镜 7。从反射镜 7 和 8 发射回来的两束光到偏振分光器 6的分光而会合，再经转向棱镜 9,偏振器 10，由接收器 11 接收为测量信号，测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差计数器在时间脉冲数 : 0tN (2由于 2 ( / )f v c f= 而 /v d t d lf c l= 所以 00( 2 / ) 2 /f d t f d l = =蝌（ 2 8 故测量距离 L 为 ( / 2) 式中 N累计脉冲数 l 激光波长 C 光速因此，当移动可动反射镜 8时，可通过累计脉冲数得到测量距离。当把测量距 i 离与数控机床上的光栅尺读数相减时即可得到数控机床的定位误差。尼绍激光校准系统下面以使用英国雷尼绍激光校准系统进行线性测量为例，介绍双频激光干涉仪检测法： (1)线性测量原理图 2性测量的光学设置将一个线性反射镜连接到具有两个紧螺纹的分光镜上，组成 “ 线性干涉镜 ” ，作为激光束的参考路径。线性干涉镜位于上，如图 2光镜管上标有两个箭头显示其方位。箭头应指向两个反射镜，如上图所示。 9 图 2量原理分为两道光束。一道光束（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。两道光束再反射回分光镜，重新汇聚之后返回激光头，由激光器内部的一个探测器监控两道光束间的干涉。在进行线性测量时，保持其中的一个光学元件不动（通常为干涉镜），而另一个则沿着线性轴移动，如图 2定位测量是通过监控测量及参考光束间光路差异的变化进行的（两个光学元件间的差分测量与通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的任何误差。用于测量线性定位的典型系统设置如图 2示： 10 图 2于测量定位的典型系统设置（ 2）进行线性测量的一般步骤： (3)线性准直步骤假定光学镜组设定如图 2在该图中，线性干涉镜是固定光学镜，而反射镜是移动光学镜。 11 图 2性干涉镜及反射镜的定位 1. 调整三脚架及激光器，使其垂直指向测量镜组。利用机架作为瞄准线，目测使激光器与运动轴基本准直。 2. 旋转光闸，以便激光器发出图 2所示的直径变小的光束。光束的直径越小，越容易看出光路是否准直。图 2. 移动机床，使线性反射镜靠近激光器，并将一个光靶置于前端，白点在上。平移激光器或机床，直到光束击中光靶上的白点。 12 图 2. 取下光靶，检查从反射镜返回的激光束是否击中闸上的光靶中心。平移激光器或机床，直到激光束击中光靶的中心。图 2. 使线性干涉镜与反射镜相互靠近，如图 2示。当两者位置离得很近时，只需调整激光头就能完成其余部分的准直调整。图 2. 确保干涉镜和反射镜的外表面互相准直并与机床垂直。如果干涉镜歪斜，精度就会下降，并可能因光束被遮断而导致检测失败。 13 7. 将光靶安装在干涉镜的入射光孔中，使白点在上，并垂直和水平平移干涉镜，以便光束击中光靶。图 2. 从线性干涉镜取下光靶，并检查从干涉镜返回的激光束是否击中从反光镜返回的激光束上方的闸上的中心。平移干涉镜，直到激光束击中白色光靶的中心。 9. 图 2对使用这个系统很有经验，可以使用简便快捷的快速准直步骤。光镜一小段距离，将光靶安装到反光镜上。准直激光器，使光束通过整个运动轴击中光靶的中心。有必要，水平平移激光头，以便从线性干涉镜和反光镜中返回的光束击中光闸上的光靶。图 214 光束回到光靶的中心。图 2查返回的光束在激光头的准直度。在激光头处，任何光束的光路准直误差产生的影响都会加倍，可以很容易发现。光镜快速准直步骤图 2光束离开光靶外圆时停止移动。 15 图 2垂直光束调整图 2 激光头上下旋转，直到两道光束都击中光靶中心。图 2平光束调整整激光头的角度偏转，使两道光束彼此重叠。 16 图 2整激光头的水平位置，使两道光束击中光靶的中心。图 2动机床工作台。在看到光束移开光靶时再次停止。重复步骤 3到 6，直到完成整个轴向的光镜准直。机床移回，使反光镜及线性反射镜互相靠近。重复步骤 a到 h，直到两道光束在整个运动轴长度范围内都保持在光靶的中心。将光闸旋转到其测量位置，如图 3反光镜沿着机床的整个运动长度移动时，检查线性数据采集软件中显示的信号强度。图 217 接下来，启动环境补偿功能并确保在软件中输入正确的材料膨胀系数。然后采集线性数据。量误差分析双频激光干涉仪的误差项目包括： (1)双频激光干涉仪的极限误差1710 (2式中： m) (2)安装误差 D 2 它主要是由测量轴线与机床移动的轴线不平行而引起的 2 (1 c o s )L ?(2式中 : m) q 由于光路准直 ,q 值趋于 0,故此项误差忽略不计 (3)温度误差 D 3 它主要是由机床温度和线膨胀系数不准确而造成的 223 ( ) ( )t t d 贝 +?(2式中 : L 测量的长度 (m) 机床温度测量误差 A机床材料线膨胀系数线膨胀系数测量误差从上面分析可以看出 ,在各项测量误差中 ,温度误差对测量结果的准确性影响最大 ,所以 ,为了保证测量结果的准确性 ,测量环境温度应满足 20 5度 ,且温度变化应小于 h,测量前应使机床等温 12h 以上 ,同时要尽量提高温度测量的准确度。另外 ,如果测量时安装不得当 ,由安装所造成的误差也是不可忽略的 18 三，数控机床位置精度检测中使用的相关标准目前 ,国际上比较通行的标准有国机床制造商协会标准 )、本工业标准 )、国工程师协会 /德国质量协会标准 )、际标准 )等。数控机床各轴的位置精度测试 ,通常要进行定位精度、重复定位精度、反向偏差准称为“失动量 (原点返回等多项目测试。在本课题中，我们将探讨国际常用标准中的国际标准 (30德国标准（ 441）、日本标准 (6336)及我国标准际标准际标准是由即机床技术委员会 )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。标轴的定位精度 m a x m i n( 3 ) ( 3 )A X S X S= + - -(3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 3 3差的最大值来确定。这个定义适用于单向和双向定位精度。定位精度 441中 P 相类似。向重复定位精度 : m a x ( 3 3 ) , 6j j j j S B S ? ? ? 6 ?犏臌 (3

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