为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   申请VIP  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  
沈阳机床
车床

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工机床
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

车床

电工电力 工程机械 航空航天 汽车 模具
仪器仪表 通用机械 轨道交通 船舶

搜索
热门关键字:

数控机床

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
您现在的位置:车床网> 加工与维修>数控机床进给轴位置精度的测量与优化
数控机床进给轴位置精度的测量与优化
Mar 8, 2021  来源: 武警海警学院机电管理系   作者:杨少兵 陈忠维


     摘要 数控机床进给轴位置精度对加工精度具有重要影响。通过使用雷尼绍XL-80型激光干涉仪测量某型数控车床X、Z轴的定位误差数据,利用软件分析得到反向间隙补偿值和螺距误差补偿值,并在西门子840D sl数控系统中进行反向间隙补偿和螺距误差补偿;两进给轴误差补偿前后位置精度的实际测量结果表明,其定位精度和重复定位精度得到了显著的提高。

    关键词 数控机床;进给轴位置精度;激光干涉仪;反向间隙补偿;螺距误差补偿

    数控机床加工精度主要由加工刀具与工件间稳固的相对位置决定,而进给轴位置精度是刀具与工件相对位置的基本决定因素。因此,提高机床进给轴的位置精度,对提高工件的加工品质具有重要意义。机床进给轴的位置精度主要表现在滚珠丝杠反向间隙、直线运动轴定位精度及重复定位精度 3 个方面。在机床装配调试与运行管理维护过程中,通常使用数控系统软件补偿方式,以消除因零部件制造误差、装配误差、运行磨损等引起的进给轴直线运动位置误差,如反向间隙、螺距误差等,进而提高进给轴的位置精度。

    本文以某型配备西门子 SIMUMERIK840D sl 系统的机床为研究对象,其数控系统配备PCU 50.5-C控制单元、NCU 710.2数控单元;进给轴 X 有效行程为 1100 mm,测量装置为海德汉LS187C-1340型光栅尺;Z轴有效行程为370 mm,测量装置为海德汉 LS187C-440 型光栅尺。在其精度调试过程中,使用雷尼绍 XL-80 型激光干涉仪实现对直线运动轴 X 与 运动位置精度的测
量;基于对应的运行误差数据,求得相应进给轴滚珠丝杠的反向间隙补偿值和螺距误差补偿值,并在数控系统中对反向间隙和螺距误差进行软件补偿,以实现提高X、Z轴位置精度的目的。

    1 、进给轴位置误差测量
  
    使用激光干涉仪XL-80测量系统的线性测长组件测量进给轴的位置误差,主要包括激光头、补偿器、带云台的三脚架及线性测量镜组。线性测量镜组主要由分光镜、线性反射镜及光靶组成。数据采集与分析分别使用专用的线性测长软件与数据分析软件。下面以X轴为例,介绍进给轴位置误差测量。

    1.1 激光干涉仪测量准备

    测量 X 轴线性位移时,主要测量组件在机床上的基本布置如图1所示。应先做好测量前的准备工作。

    1)在X轴运行方向前方稳固地架设好三脚架与云台,在云台上固定好激光头,调整位姿微调旋钮,使各个方向的调整行程处于中间位置。
    2)连接好激光头电源及温度、湿度传感器,打开电源开关,转动激光头光闸,使射出的激光束最细;调节三脚架位置与脚的高度,配合使用系统自带的微型水平仪,使激光头水平,且射出的激光束与X轴运行方向基本平行。
    3)将 X 轴滑台移动到离激光头最近的位置,在滑台上固定好反射镜;调整磁力表座位置和高度,配合使用微型水平仪与光靶,使反射镜水平,且激光正中光靶靶心。
    4)利用手轮缓慢移动滑台远离激光头,调整云台的左右角度,使光点向相反方向偏离光靶中心大致相同的距离;移动滑台靠近激光头,调整云台的左右位置,使激光束正中反射镜靶心。
    5)重复过程 4),直至 X 轴移动过程中激光束始终击中反射镜靶心而不偏离,此时激光束与 X轴运行方向已完全平行;去掉光靶,旋转激光头闸至工作位置,反射光束应全部射入激光接收孔,激光头5个信号强度指示灯应至少点亮4个。
    6)在激光头与反射镜之间的合适位置固定好分光镜,将分光镜分光到反射镜的一侧用光靶盖住,调整磁力表座位置与高度,使分光镜的反射光束完全射入激光头接收孔,且信号强度指示灯至少点亮4个。
    7)取下分光镜分光到反射镜一侧的光靶,此时激光束应通过分光镜至反射镜,反射后光束再次回到分光镜,并与分光镜上的反射光束产生干涉,干涉光束被激光头接收,接收信号强度指示灯应至少点亮4只。测量准备工作完成。
 
  

图1 测量X轴线性位移主要组件在机床上的基本布置图

     1.2 数据测量
  
     激光干涉仪安装就绪后,编写专门用于数据测量的机床运行程序,并设置好数据采集软件,运行数控程序,便可实现数据的自动采集。数据测量前,应在数控系统中将反向间隙值设置为 
0,即MD32450 BACKLASH[1]=0;禁止螺距误差补偿,即32700 ENC_COMP_ENABLE[1]=0 。
  
     1.2.1 机床进给轴测量运行程序
  
     机床 X 轴有效行程为 1100 mm,绝对坐标位置为-450.000~+650.000,数据测量间隔为100 mm,每一行程共测量 11 个点的数据。故设置数控程序起始点为-400、终止点为600,每运行100 mm停止 4 s,等待激光干涉仪采集数据;滑台运行到两端后越程 4 mm 返回,共运行 5 次。数控程序如下:

    
  
    启动数控程序,当滑台从-404 mm 运行到-400 mm位置、即在第一个GOF4处时,暂停程序,待设置好数据采集软件后再开始运行。

     1.2.2 线性位移数据采集与分析
   
     启动电脑上的线性测长软件,按照提示的步骤,进行数据采集参数设置。设置第一定位点0 mm、最终定位点1000 mm,间距值100 mm,精度为小数点后3位;设置测量定位方式为线性定位,测量次数为 5 次,方向为双向;填写测量时间、地点等信息;数据采集方式、停止周期、越程大小等为缺省值。完成上述设置后,软件自动开始测量,自动采集的第一个数据为 0.000 mm
。此时启动数控程序,软件便自动在每个暂停时间段采集相应的线性位移数值,直至全部 55 个点的数据采集完毕。

     打开数据分析软件,X轴线性测长误差曲线如图2所示,其中横坐标表示测量目标值、纵坐标表示实测值与目标值的差值。
 
 
  
图2 X轴线性测长误差曲线
  
     在“分析数据”菜单中选择“ISO 230-2 1997统计数表”项,用软件计算出实际的各项误差值。可以得到,X轴反向间隙为6.1 μm、重复定位精度为6.8 μm、定位精度为31.4 μm。

      2 、反向间隙补偿与螺距误差补偿
  
     根据测得的实际误差值,利用数据分析软件,得到补偿数据。在“分析数据”菜单中选择“误差补偿图表”,设置图表类型为“均值补偿”,补偿类型为“绝对值”,补偿分辨率为0.001 mm,正负符号转换为“误差值”,补偿起点为0、终点为1000 mm,间隔为 100mm。然后单击“绘制误差补偿图表”,得到轴反向间隙补偿数据为-0.0004 mm。螺距误差补偿数据如表1所示。

表1 X轴螺距误差补偿数据
  
  
 
     2.1 反向间隙补偿
  
     根据上述误差数据,将反向间隙补偿值输入到数控系统中,即MD32450 BACKLASH[1]=-0.004,然后按 Reset,机床回参考点后反向间隙补偿生效。
  
     2.2 螺距误差补偿
   
     根据西门子 840D sl 数控系统螺距误差补偿使用说明,按如下步骤进行螺距误差补偿:
  
     1)根据“误差补偿图表”编制补偿文件,文件名为X-BUCHANG.MPF,如表2所示。

表2 X轴误差补偿文件

  

      注:方括号内第 1 个“1”代表测量系统为光栅尺、第 2 个数字代表补偿点,“AX1”表示轴1,即X轴


     2)计算补偿点数N:

      
  
     式中:Cmax表示补偿位置坐标上限,Cmin表示补偿位置坐标下限,C 表示补偿间距。


     根据 X 轴实际情况,其补偿点数 N 为 11。在数控系统中设置参数 MD38000[1]=11,方括号中的“”表示机床采用光栅尺作为测量系统。修改参数MD38000时应注意数据备份。
  
     3)设置参数 MD32700=0,将上述螺距误差补偿文件 X-BUCHANG.MPF 拷贝到数控系统中,并执行一次;再将 MD32700 设置为 1,按复位键,机床回参考点,螺距误差补偿功能立即生。

     3、 误差补偿前后进给轴位置精度对比
   
     X 轴反向间隙补偿和螺距误差补偿生效后,使用 XL-80 激光干涉仪再次测量该轴的位置精度,其线性测长误差曲线如图3所示。

  
图3 X轴误差补偿后线性测长误差曲线

     X 轴进行误差补偿前后,其位置精度数值如表 3 所示,定位精度提高了 598%,重复定位精度提高了106%。该机床 Z 轴有效行程范围为−330~40 mm,设置补偿初始位置为−300、终止位置为0,间距为50 mm,共补偿 7 个点。按照 X 轴补偿方法,对 Z轴进行反向间隙补偿与螺距误差补偿。如表4所示,补偿后定位精度提高了 165%,重复定位精度提高了111%
   
表3 X轴误差补偿前后位置精度对比 

   
表4 Z轴误差补偿前后位置精度对比
 
  
  
     4 、结束语
  
     在新机床的装配调试与旧机床的维护保养中,利用激光干涉仪测量进给轴的位置误差,并在数控系统中进行反向间隙补偿和螺距误差补偿,能有效地提高进给轴的位置精度。这项工作对提高加工质量、节约经费等具有重要意义。本文讲述的机床进给轴位置误差补偿方法和过程具有普遍性,不同的测量方法、不同的数控系统,均能实现软件误差补偿功能,应在机床的调试和维护中大力普及和推广。
    投稿箱:
        如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表,或进行资讯合作,欢迎联系本网编辑部, 邮箱:skjcsc@vip.sina.com