数控机床位置精度的测试与补偿
一、机床进给传动装置的结构
在数控机床进给传动装置中,一般由电动机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转,由滚珠丝杠螺母机构将回转运动转换为直线运动。
- 进给机构的结构滚珠丝杠螺母机构的工作原理如图1所示。在丝杠1和螺母2上各加工有圆弧形螺旋槽,将它们套装起来形成螺母旋转副时,在滚道内装满滚珠3。当丝杠相对螺母旋转时,丝杠的旋转面通过滚珠推动螺母轴向移动,同时滚珠沿螺旋转形滚道滚动,使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转化为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管4连接起来,使滚珠能够1——丝杠 2——螺母3——滚珠 4——回珠管图1滚珠丝杠螺母机构从一端重新回到另一端,构成一个闭合的循环回路。
- 进给传动误差由于滚珠丝杠副在加工和安装过程中存在误差,因此滚珠丝杠副将回转运动转换为直线运动时存在以下两种误差。
(1)螺距误差,即丝杠导程的实际值与理论值的偏差。例如,PⅡ滚珠丝杠的螺距公差为0.012/300mm。
(2)反向间隙,即丝杠和螺母无相对转动时,丝杠和螺母之间的最大窜动。由于螺母结构本身的游隙以及其受轴向载荷后的弹性变形,滚动丝杠螺母机构存在轴向间隙。该轴向间隙在丝杠反向转动时表现为丝杠转动α角,而螺母未移动,形成了反向间隙。为了保证丝杠和螺母之间的灵活运动,必须有一定的反向间隙。但反向间隙过大将严重影响机床精度。因此,数控机床进给系统所使用的滚珠杠副必须有可靠的轴向间隙调节机构,具体的调整在此不再赘述。
- 电动机与丝杠的连接及传动电动机与丝杠间常用的连接及传动方式有以下三种。
(1) 直联,即用联轴器将电动机轴和丝杠沿轴线连接起来,其传动比为1∶1。该连接方式传动时无间隙。
(2)同步带传动,即将同步带轮固定在电动机轴和丝杠上,用同步带传递扭矩。该传动方式的传动比由同步带轮齿数比确定,传动平稳,但有传动间隙。
(3)齿轮传动,电机通过齿轮或齿轮箱将扭矩传到丝杠,传动比可根据需要确定。该传动方式传递的扭矩大,但有传动间隙。同步带传动、齿轮传动中的间隙是产生数控机床反向间隙差值的原因之一。
二、定位精度测量工具和测量方法
测量定位精度和重复定位精度的仪器有激光干涉仪、线纹尺和步距规等。其中,步距规因其在测量定位精度时操作简单而在批量生产中被广泛采用。无论采用哪种测量仪器,其在全行程上的测量点数不应少于5点,测量间距按下式确定:Pi=iP+k其中,P为测量间距;k在各目标位置时取不同的值,以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔,从而保证周期误差被充分采样。这里采用步距规进行测量。步距规结构如图2所示。图2步距规结构图尺寸P1,P2,…,Pi按100mm间距设计,加工后测量出P1,P2,…,Pi的实际尺寸作为定位精度检测时的目标位置坐标(测量基准)。以ZJK7532A铣床X轴定位精度的测量为例。测量时,如图3所示将步距规置于工作台上,并将步距规轴与X轴轴线校平行,令X轴回零;将杠杆千分表固定在主轴箱上(不移动),表头接触在Po点,表针置零;用程序(限于篇幅,略)控制工作台按标准循环图(见图4)移动,移动距离依次为P1,P2,…,Pi,表头则依次接触到P1,P2,…,Pi点,表盘在各点的读数则为该位置的单向位置偏差。按标准循环图测量5次,将各点读数(单向位置偏差)记录在记录表中,按国家标准GB/T17421.—1999评定方法对数据进行处理,由此可确定该轴线的定位精度和重复定位精度。
三、软件补偿
- 螺距补偿数控机床螺距补偿的基本原理是:在机床坐标系中,在无补偿的条件下,在轴线测量行程内将测量行程分为若干段,测量出各自目标位置Pi的平均位置偏差, 把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补指令上, 如图5示。指令要求沿X轴运动到目标位置Pi,目标实际位置为Pij, 该点的平均位置偏差为。将该值输入系统,则CNC系统在计算时自动将目标位置Pi的平均位置偏差叠加到插补指令上,实际运动位置为,使误差部分抵消,实现误差的补偿。数控系统可进行螺距误差的单向和双向补偿。图5 螺距补偿原理
- 反向间隙补偿反向间隙补偿又称为齿隙补偿。机械传动链在改变转向时,反向间伺服电动机空转而工作台实际上不运动,称为失动。反向间隙补偿的原理是:在无补偿的条件下,在轴线测量行程内将测量行程等分为若干段,测量出各目标位置Pi的平均反向差值,作为机床的补偿参数输入系统。CNC系统在控制坐标反向运动时,自动先让该坐标轴反向运动,然后按指令进行运动。如图6所示,工作台正向移动到O点,然后反向移动到Pi点。反向时,电动机(丝杠)先反向移动,后移动到Pi点。在该过程中,CNC系统实际指令运动值为。反向间隙补偿在坐标轴处于任何方式时均有效。图6反向间隙补偿3.误差补偿的适用范围从数控机床进给传动装置的结构和数控系统的三种控制方法可知,误差补偿对半闭环控制系统和开环控制系统具有显著的效果,可明显提高数控机床的定位精度和重复定位于精度。对于全闭环数控系统,由于其控制精度高,采用误差补偿的效果不显著,但也可进行误差补偿。
四、单向螺距补偿
举例1.实际测量测量对象为ZJK7532A数控钻铣床的X轴,测量方法为“步距规测量法”,假定某步距规实际尺寸如表1所示。2.单向螺距补偿(1)在首次测量前,开机进入数控系统(华中数控HNC-2000或HNC-21)依次按“参数F3”键、“输入权限F3”键进入下一级子菜单,按“数控厂家参数F1”键,输入数控厂家权限口令(初始口令为“NC”),回车;再按“参数索引F1”键、“轴补偿参数F4”键;移动光标选择“O轴”后,回车即进入系统X轴补偿参数界面,如图7所示。将系统的反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零后,按Esc键,界面出现对话框“是否保存修改参数?”,按Y键后保存修改后的参数。按F10键回到主界面,再按Alt+X键,退出系统,进入DOS状态;按N键后回车进入系统。(2)编制步距规的测量程序,实现图4所示测量循环。程序名为“OJX”。将步距规实际尺寸P1,P2,…Pi填入测量程序的变量中。(3)将步距规置于工作台中间位置,注意步距规的方向(Po点朝向X轴负向,将步规用压板轻轻地固定在工作台上,并用百分表将距规轴X轴导向校平行,平行度允差为0.02mm)。(4)使工作台沿X轴向回零,Y轴置于其行程中间位置;将杠杆千分表固定在主轴箱上(不移动),使其表头接触Po点,表针置零。(5)将波段开关置于“单段”,进给修置于“100%”,选择检测程序“OJX”,重复按“循环启动”键。当程序执行到“N05”行时,将表针再次置零,再将波段开关置于“自动”后,按“循环启动”键开始测量(测量完成前不要调整杠杆千分表表针)。(6)在测量程序运行过程中,当工作台运动到目标位置时,表头接触到步距规的测量面,测量程序要设置有暂停3s子程序段(G04X3),此时记下表针读数,填入表2中。例如,在第一次测量时,工作台负向运动到P1点,表针读数为“6”时,读数“6”记录在“P1,↑,X1”位置,如表2所示。(7)测量5个循环,并将读数记录到“表2中。测量完成后停止运行,将表头移开。3.数据处理按如前所述“定位精度和重复定位精度的确定(GB/T17421.2—1999国家标准评定方法”对数据进行处理,先计算出“平均位置偏差”、“反向差值Bi”和“平均反向差值”。4.误差补偿按如前所述操作步骤进入系统X轴补偿参数表,如图7所示。表1 步距规尺寸表位置PO P1 P2 P3 P4P5实际尺寸/mm0无100.10200.20300.10400.20500.05 表2测试记录表(1)反向间隙补偿将表2中计算所得的轴线平均反向差值写入系统X轴补偿参数表的“反向间隙(内部脉冲当量)”后的数据栏(2)单向螺距补偿将“螺距补偿类型”、“补偿点数”,“参数点偏差号”、“补偿间隔”分别设为“1”、“6”、“5”和“100000”,将“记录表”中“平均位置偏差”的值填入“X轴补偿参数表”的“偏差值〔〕”内,即将值“1”填入“偏差值(内部脉冲当量)〔5〕”,将值“3”填入“偏差值(内部脉冲当量)〔4〕”,将值“5”填入“偏差值(内部脉冲当量)〔3〕”,图7系统轴补偿参数界面及单向螺距补偿后的数据设置部脉冲当量)〔0〕”。补偿后的参数如图7所示。补偿参数输入完成后,按Esc键,界面出现对话框“是否保存修改参数?”,按F10键回到主界面,再按Alt+X键,退出系统,进入DOS状态。按N键回车进入系统,补偿后的参数数值即开始生效。
五、结束语
本文主要是以华中数控为研究对象,对于其他型号的数控机床,只要对程序和参数稍作变动同样可以采用。经过工厂、学校的实践证明,该测试系统能使机床的精度大大提高,在生产和教学中取得了良好的效果。 |
