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数控机床螺距误差补偿与分析


? 工艺与装备 ?
文章编号 : 1001 - 2265 ( 2010 ) 02 - 0098 - 04

组合机床与自动化加工技术

数控机床螺距误差补偿与分析
李继中
(深圳职业技术学院 ,深圳  518055 )

摘要 : 文章通过实例介绍数控机床滚珠丝杆传动机构的螺距误差的测量 、 补偿依据 、 补偿方法与操作要 点 ,以及补偿效果的验证与分析 。通过利用英国 REN ISHAW 公司的 ML10 激光干涉仪对 FANUC 0 i系统 数控铣床 X 轴的螺距误差进行测量 、 补偿及验证 ,结果说明 ,对滚珠丝杆传动机构的反向偏差与螺距误 差进行补偿是提高机床精度的一种重要手段 。 关键词 : 滚珠丝杆 ; 螺距误差 ; 反向偏差 ; 补偿 ; 定位精度 ; 激光干涉仪 中图分类号 : TH16; TG65     文献标识码 : A
The Com pen sa tion and Ana lysis of P itch Error for NC M ach i in g Tools n ( Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, China ) Abstract: L I J i2zhong

Key words:

0  引言

目前 ,机床的传动机构一般均为滚珠丝杆副 。当 机床几何精度得到保证后 , 机床轴线的反向偏差与滚 珠丝杆的螺距误差是影响机床定位精度与重复定位精 度的主要因素 ,对机床轴线的反向偏差 、 滚珠丝杆的螺 距误差进行补偿能极大地提高机床精度 , 机床控制系 统也对这个两个补偿参量设置了专门的参数 , 供轴线 误差补偿之用 ,并将其补偿功能作为控制系统的基本 控制功能 。

1  螺距误差的补偿方式

螺距误差的补偿分为实时动态补偿与静态均化补 偿两种方式 。 实时动态补偿也称为在线补偿 ,是一种借助机床配 置的实时位置检测系统所测得的数值控制机床运动轴 定位的控制方法 。这种补偿方式可显著提高机床的定 位精度 ,但对机床系统的要求较高 ,机床成本相应增加。 静态均化补偿是这样的一种控制方法 : 事先将螺 距误差的均化值 (补偿值 ) 存储在数控系统参数表中 , 待补偿值生效后 , 数控系统自动将目标位置的补偿值 叠加到插补指令上 ,均化误差部分 ,实现螺距误差的补 偿 ,下面主要介绍静态均化补偿法 。

由于加工设备的精度及加工条件的变化影响 , 滚 珠丝杆都存在螺距误差 。螺距误差补偿对开环控制系 统和半闭环控制系统具有显著的效果 , 可明显提高系 统的定位精度和重复定位精度 ; 对于全闭环控制系统 , 由于其控制精度高 ,螺距误差补偿效果不突出 ,但也可 以进行螺距误差补偿 ,以便提高控制系统的动态特性 , 缩短机床的调试时间 。

2  螺距误差补偿的依据与原理

收稿日期 : 2009 - 09 - 29; 修回日期 : 2009 - 10 - 26 作者简介 : 李继中 ( 1963 —) ,男 ,湖南人 ,深圳职业技术学院高级工程师 ,副处长 ,从事数控技术研究 , ( E - mail) ljizhong@ szp t edu. cn。 .

?98?

螺距误差补偿的依据是 GB / T 1742112 2 《 2000 机床 检验通则第 2 部分数控轴线的定位精度和重复定位精 度的确定 》 。螺距误差补偿涉及到补偿点的位置偏差 , 如图 1 所示 。由图 1 可知 , 螺距误差的补偿分为单向 [ 12 ] 2 补偿和双向补偿 。 图 1中 Pi 为测量目标点 , Pi ↑、 i ↓分别为双向趋 P

、 ’ 2

2 2

2010 年第 2 期

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图 1  位置偏差

近目标点时的实际位置 :
X i ↑ = P i ↑ - P i; X i ↓ = P i ↓ - P i Xi ↑ = ( 1)

1
n

n

∑X
j =1

ij

↑; X i ↓ =

1
n

n

∑X
j =1

ij

↓, 式中 n = 5 ( 2 )
( 3) ( 4)

P i = P i ↑ + X ij ↑ P i = P i ↓ + X ij ↓
[1 ]

( 上述式 ( 3 ) 、 4 ) 即为机床轴线双向补偿的数学依 据 。 从上述补偿机理可知 , 静态均化补偿法实际上是 一种借助数控系统控制功能的软件补偿法 。根据数控 系统的控制功能 , 螺距误差的软件补偿涉及到以下几 [ 32 ] 4 个关键变量 。 ( 1 )机床轴线的参考点补偿点号 ; ( 2 )轴线负端最远补偿点号 ; ( 3 )轴线正端最远补偿点号 ; ( 4 )轴线的补偿倍率 ; ( 5 )轴线的补偿点间距 。 补偿原理一般是 : 补偿原点取各坐标轴的零点 (参 考点 ) ,以原点为中心设定补偿点 ,补偿间隔相等 ,并在 补偿间隔的中点执行补偿 。由此可以看出 , 静态均化 补偿是一种统计补偿法 ,是以区间为单位进行补偿的 , 并不是实时位置点的补偿 , 与实时在线补偿有本质上 的区别 。 上述各变量值存储在数控系统的参数中。下面以 FANUC 0i系统为例 ,介绍螺距误差补偿的具体执行方法。

( 4 )按指定间距生成新的补偿数据文件 , 并传入 NC 中 ; ( 5 )比较补偿前后的测量数据与机床性能 。 若未配置自动补偿软件 , 则必须记录补偿前的补 偿数据 ,并将生成的补偿数据手动输入 NC 参数中 。

下面以某型立式铣床 X 轴测量与补偿为例说明测 量与补偿过程 。机床 X 轴行程为 600mm , 丝杆螺距 8mm ,补偿间距取 30mm ,各设定值如表 1 所示 。
表 1  某型 FANUC 0 i系统立式铣床 X 轴 螺距误差补偿参数设置表
设定值
20 1

参数号

PRM #3620 PRM #3621 PRM #3621 PRM #3623 PRM #3624

   测量时 , NC 的运行程序
O0023; #1 = 0; #2 = 5; #3 = 0;

N0020 G54 G91G01X0. F1000;

3  螺距误差的测量与补偿

螺距误差的测量与补偿有两种方式 , 手动测量与 补偿 、 自动测量与补偿 。手动测量与补偿借助步距规 与千分表进行测量 , 然后再将检测的计算值输入数控 系统参数中 。自动方式一般采用激光干涉仪与补偿软 件对机床轴线进行检测与自动补偿 。如果严格按照 GB / T 1742112 所规定的方法进行检测 , 手动方式很难 实施 ,容易出错 ,且效率低 ,因此 ,目前主要以自动方式 [ 52 ] 10 为主 。以 REN ISHAW 公司的 ML10 激光干涉仪测 量 FANUC 0 i系统立式铣床为例介绍螺距误差自动测 量与补偿 。 按图 2 所示安装 ML10 激光干涉仪的相关器件 ,并 保证反射光的光强满足测试要求 。 [ 11 2 ] 12 操作步骤 如下 : ( 1 )备份 NC 中原螺距误差补偿数据文件 ( OM P ” “ ) ,以供补偿前后对比分析 ; 格式 ( 2 )清除原补偿数据 (包括反向差值与各设定点 螺距误差补偿值 ) ; 生成 NC 运行程序 ,并传入 NC 中 ; ( 3 )测量设定点的定位误差 ;

#4 = 19;

N0070G04X4. ; G04X4. ;

N0080G01X - 30. ; #3 = #3 + 1;

图 2  REN ISHAW M L 10 激光干涉仪光学组件安装 与光路示意图 [ 11212] (测量 X 轴 )
说明 对应设置 X 轴参考点的螺距误差补偿点号
20 1

设置 X 轴负方向最远一端的螺距误差补偿点号 设置 X 轴正方向最远一端的螺距误差补偿点号 设置 X 轴螺距误差补偿倍率
[ 13 ]

30000 X 轴螺距误差补偿点间距 ,单位 : 微米

如下 :

IF[ #3NE#4 ] GOTO80; 从第 1 点负向走到第 20 点 N0120G04X4. ; G01X30. ; #3 = #3 - 1; IF[ #3 NE 0 ] GOTO120; 从第 20 点正向走到第 1 点 G04X4. ; #1 = #1 + 1; IF[ #1 NE #2 ] GOTO 70; 5 次全行程负 、 正向循环 M30; %

第一次的测量数据如图 3 所示 。 [4] 将图 3 中的反向差值“24 ” 输入参数 PRM #1851 (反向偏差值补偿参数 )对应的 X 轴栏目中 , 并让 X 轴 ?9 9 ?

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4  分析

组合机床与自动化加工技术

图 3  X 轴第一次测量数据

重新回零 (手动返回参考点 ) , 再次进行测量 , 测量结果 如图 4 所示 。

图 4   X 轴反向差值补偿后的测量值 对

在图 4 的基础上 , 将对应的螺距误差补偿值输入 NC 中 ,对应 X 轴的补偿参数表如图 5 所示 , 再次进行 测量 ,得到测量数据如图 6 所示 。

图 5  X 轴螺距误差补偿点及其补偿值表

图 6  X 轴螺距误差补偿后的测量数据

?100?

由图 6 与图 4 所测数据对比可以看出 , 经过螺距误差的补偿后 , X 轴的螺距误差已 经得到均化补偿 , 除了第 2、、 、 、、 、 3 4 6 7 14 18 点处还存在需补偿的微量值 (绝对值为 1 微 米 )之外 ,其它点均不再需要补偿 。实际上 , 按图 4 进行补偿后 ,对机床的定位精度和重 复定位精度进行测量 ,补偿前的数据分别是 715、 19 微米 , 补偿后 , 其对应的数据分别 6 为 314、 11 微米 , X 轴的精度得到了明显的 3 提高 。 对于 FANUC 系统 , 当螺距误差的补偿值 (后一个 点的补偿均值减去前一个点的补偿均值 ) 在 0 ~ ± 间 7 时 ,补偿倍率设为 1,如本文例所述 ,若补偿 值大于 7 时 , 补偿倍率的值等于各点实际 测量值 (增量值 ) /7 的最小公倍数 , 当机床 运动到该点时 ,其补偿值为该点补偿值 (参 数表中的值 ) 乘以补偿倍率 。 FANUC 0 系 统的最小补偿间距为最大快速移动速度 (快速进给速度 ) /1875 ( mm ) [ 3 ] 170 ; FANUC 0 i系统的最小补偿间距为最大快速移动速 度 /7500 (mm ) , 若补偿点的补偿量绝对值 超过 100 时 , 螺距误差补偿点间隔最小值 = (最大快速移动速度 /7500 ) × 倍数 ,其中 (绝对值 ) /128 (小数点后的数进 倍数 =最大补偿量 [ 4 ] 180 上) 。 数控机床的精度主要取决于机械结构与控制系统 的精度 。影响机械结构精度的因素主要有机床的几何 精度和传动机构的间隙 、 传动副的传动精度等 ,机床机 械结构精度主要通过调整机械结构 、 补偿传动副的间 隙或精度来保证 。影响控制系统精度的因素主要有控 制算法误差 、 位置检测装置误差 、 系统的响应特性 、 系 统性能的匹配性 (主要通过系统参数调整与优化实现 ) 等 ,这部分精度主要通过优化伺服控制系统的参数得 到保证 , 关键是保证控制系统工作在最佳 的匹配状态 。目前各品牌数控系统均有相 应的控制优化软件 , 优化调整与配置伺服 控制系统的参数 ,如 FANUC 系统的 SERVO GU I E、 D SIEM ENS 系统的 Sim Comu 等优化 软件是优化配置伺服控制系统参数的一种 有效工具 , 并能提供机床伺服控制系统工 作性能的评价 , 当然完全靠优化软件是不 够的 ,还必须有机床控制系统的调试经验 , 凭借经验 ,在优化软件优化的基础上 , 再对

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相关参数进行调整 , 即可保证机床系统工作在理想的 状态下 。 采用滚珠丝杆传动时 , 机床位置精度的补偿主要 有反向偏差补偿和螺距误差补偿 。
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(上接第 97 页 )

性能 。在仿真模型经过 1000 小时的连续仿真后 ,得出 仿真结果 。如图 6 所示 ,加工设备 M11 利用率过低 ,影 响生产的顺利进行 , 造成人员闲置 , 生产力的浪费 , 可 增加工序 , 提高设备利用率 。加工设备 M8 的利用率 偏高 ,超过 95% , 表明设备 M8 比较忙碌 , 人员和机器 的工作时间过长 , 属于瓶颈工序 。应减少工序加工时 间以减轻工作强度 。当然 ,限于实际条件 ,有些加工工 序时间很难减少 , 需要有关人员根据实际情况进行调 整 ,但是仿真结果让有关人员知道生产线上各机器的 利用效率 ,工厂可以根据自己的需求 ,依据仿真结果和 分析 ,采取适当的措施达到预期的要求 。

图 6  设备利用率仿真

4  结束语

采用基于 UML 的面向对象建模方法对桥壳生产

系统进行仿真建模 ,描述了整个仿真系统的操作过程 , 活动准则 ,组织结构以及对象间的相互关系 ,并在仿真 软件 eM 2Plant中映射实现 。采用 eM 2Plant软件建立汽 车后桥生产线的数字化模型 ,并对其进行仿真分析 ,指 出生产系统的瓶颈设备和空闲设备 , 对于生产系统的 设计和改进 ,提高生产效率 , 降低规划与工程的成本 , 具有指导作用 。
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(编辑   赵蓉 )

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