蘆 濤 霍衛(wèi)軍

中車唐山機(jī)車車輛有限公司

角度定位精度和重復(fù)定位精度在機(jī)床的應(yīng)用和前景

蘆 濤 霍衛(wèi)軍

中車唐山機(jī)車車輛有限公司

數(shù)控機(jī)床定位精度和定位精度的重復(fù)定位直接影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度，并且隨著機(jī)床的不斷使用和使用相關(guān)因素的影響而發(fā)生變化和變化。作者提出了一種定位精度和重復(fù)定位精度測(cè)試方法，可用于生產(chǎn)實(shí)踐，可完全滿足檢測(cè)要求。使用精密刻度和讀數(shù)顯微鏡測(cè)試數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)性的方法。與其他方法相比，該方法更實(shí)用，成本更低，更簡(jiǎn)單方便，適用于數(shù)控車間的使用。

定位精度重復(fù)定位精度滑動(dòng)導(dǎo)軌副

機(jī)床的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和經(jīng)常測(cè)試機(jī)床的精度是非常必要的，為了發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高零件的加工精度，如何提高機(jī)床定位軸的精度和重復(fù)定位精度？

同一臺(tái)機(jī)床，由于標(biāo)準(zhǔn)不同，位置精度不一樣，因此選擇數(shù)控機(jī)床精度，應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控機(jī)床位置標(biāo)準(zhǔn)通常指的是NC軸的反向偏差和定位精度。這兩種方法的測(cè)量和補(bǔ)償是提高加工精度的必要方法［1］。

一、反向偏差

在數(shù)控機(jī)床中，由于各軸進(jìn)給傳動(dòng)鏈條的驅(qū)動(dòng)部件（如液壓伺服電機(jī)，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等），反向死機(jī)反向間隙誤差的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的各軸向前運(yùn)動(dòng)反向反向偏移的運(yùn)動(dòng)，通常也稱為反向間隙或動(dòng)量損失。對(duì)于帶有半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，反向偏差的存在會(huì)影響機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，從而影響產(chǎn)品的加工精度［2］。

在G01切削運(yùn)動(dòng)中，反向偏置會(huì)影響插補(bǔ)精度，如果偏差過大，會(huì)導(dǎo)致“圓不是圓，不是圓”。而在G00快速定位運(yùn)動(dòng)中，反向偏置機(jī)床定位精度，降低了鉆孔，鉆孔加工之間孔的位置精度。同時(shí)，隨著設(shè)備投資的增長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間也隨之增加，反向偏差造成磨損間隙增大，因此需要對(duì)機(jī)床各軸反向偏差進(jìn)行周期性測(cè)量和補(bǔ)償。

（一）反向偏差的測(cè)定

確定反向偏壓的方法：在測(cè)量坐標(biāo)軸行進(jìn)時(shí)，向前或向后移動(dòng)一個(gè)距離到停止位置作為基準(zhǔn)，然后給出一個(gè)移動(dòng)指令值在同一方向移動(dòng)一段距離，然后去相反方向相同距離，位置和參考位置停止測(cè)量差值［3］。在行程中途，在測(cè)量值的反向偏差的最大值的平均值中，重復(fù)測(cè)量（通常為7次）每個(gè)位置的平均值的兩個(gè)位置的三個(gè)端部。在測(cè)量時(shí)必須先移動(dòng)一段距離，否則無法得到正確的反向偏置。

如果條件允許，當(dāng)測(cè)量工具通常使用千分表或千分表時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)軸的反向偏差測(cè)量可以使用雙頻激光干涉儀測(cè)量［4］。當(dāng)使用千分表或千分表測(cè)量時(shí)，請(qǐng)注意表和表?xiàng)l不要太長(zhǎng)太長(zhǎng)，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)由于懸臂長(zhǎng)，工作臺(tái)容易移動(dòng)，計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確，補(bǔ)償值也不真實(shí)。如果使用編程方法來實(shí)現(xiàn)測(cè)量，則可以使測(cè)量過程更方便，更準(zhǔn)確。

例如，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)X垂直軸上的反向偏置，圓柱面可以是主軸上的第一個(gè)表，運(yùn)行以下程序和測(cè)量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作臺(tái)右移

N20 X－50；工作臺(tái)左移，消除傳動(dòng)間隙

N30 G04 X5；暫停以便觀察

N40 Z50；Z軸抬高讓開

N50 X-50：工作臺(tái)左移

N60 X50：工作臺(tái)右移復(fù)位

N70 Z-50：Z軸復(fù)位

N80 G04 X5：暫停以便觀察

N90 M99；

需要注意的是，在工作臺(tái)不同的運(yùn)行速度下所測(cè)出的結(jié)果會(huì)有所不同。一般情況下，低速的測(cè)出值要比高速的大，特別是在機(jī)床軸負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)阻力較大時(shí)。低速運(yùn)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較低，不易發(fā)生過沖超程（相對(duì)“反向間隙”），因此測(cè)出值較大；在高速時(shí)，由于工作臺(tái)速度較高，容易發(fā)生過沖超程，測(cè)得值偏?。?］。

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸反向偏差量的測(cè)量方法與直線軸相同，只是用于檢測(cè)的儀器不同而已。

（二）反向偏差的補(bǔ)償

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，定位精度很大> 0.02mm，但沒有補(bǔ)償功能。這種機(jī)床，在某些情況下，實(shí)現(xiàn)單向定位可用的編程方法，以消除機(jī)械零件中的反向間隙不變，只要從起點(diǎn)到低速單向定位插補(bǔ)，然后開始插補(bǔ)處理。在反向的情況下，插值可以提高插值過程的精度，這可以確保部件的公差。

對(duì)于其他類型的數(shù)控機(jī)床，數(shù)控裝置通常設(shè)置有多個(gè)存儲(chǔ)地址，用于存儲(chǔ)反向間隙值的軸。當(dāng)機(jī)床軸是改變運(yùn)動(dòng)方向的命令時(shí)，數(shù)控裝置自動(dòng)讀取軸的反向間隙，以協(xié)調(diào)位移指令值校正補(bǔ)償，使機(jī)床精確定位在指令位置，消除或減少反向偏壓對(duì)機(jī)床精度的不利影響［6］。

一般CNC系統(tǒng)的反向間隙補(bǔ)償只有一個(gè)值，可以用于高精度和低精度的運(yùn)動(dòng)，除了在機(jī)床上做得更好外，只能在補(bǔ)償輸入的反向偏置測(cè)試值的快速運(yùn)動(dòng)中，因此，很難實(shí)現(xiàn)平衡，考慮到快速插補(bǔ)精度的定位精度和切割。

對(duì)于FANUC0i，F(xiàn)ANUC18i等數(shù)控系統(tǒng)，快速運(yùn)動(dòng)（G00）和低速切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（G01）有兩種反向間隙補(bǔ)償。根據(jù)不同的進(jìn)給方式，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)選擇使用不同的補(bǔ)償值，完成高精度加工。

反向間隙G01切削運(yùn)動(dòng)的測(cè)量值A(chǔ)輸入?yún)?shù)NO11851（G01的測(cè)試速度根據(jù)普通切削進(jìn)給速度和機(jī)床特性決定，反向間隙）G00測(cè)量值B輸入?yún)?shù)NO11852。注意需要執(zhí)行反向間隙補(bǔ)償分別指定的CNC系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)該是數(shù)字1800第四（RBK）設(shè)置為1；如果RBK未設(shè)置為0，則分別指定反向間隙補(bǔ)償。G02，G03，JOG和G01使用相同的補(bǔ)償值。

二、定位精度

數(shù)控機(jī)床的定位精度是指測(cè)量機(jī)床零件在運(yùn)動(dòng)控制下數(shù)控系統(tǒng)位置精度的運(yùn)動(dòng)，是一種重要的精密數(shù)控機(jī)床，與普通機(jī)床不同工具和機(jī)床接頭的幾何精度對(duì)機(jī)床的切削精度有重要影響，特別是對(duì)孔加工孔間距誤差具有決定性影響。數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)定位的定位精度，其加工精度，使數(shù)控機(jī)床的定位精度檢測(cè)和補(bǔ)償必要的方式，保證加工質(zhì)量［7］。

（一）定位精度的測(cè)定

目前，多頻激光干涉儀被用于機(jī)床的檢測(cè)和加工。使用激光干涉測(cè)量原理，提高了測(cè)量精度，提高了應(yīng)用范圍。檢測(cè)方法如下：

雙頻激光干涉儀；

光學(xué)測(cè)量裝置安裝在需要測(cè)量的機(jī)床的坐標(biāo)軸方向上；

調(diào)整激光頭和測(cè)量軸和移動(dòng)軸平行于光路或共線，預(yù)對(duì)準(zhǔn)；

激光預(yù)熱后輸入測(cè)量參數(shù)；

按照規(guī)定的測(cè)量程序測(cè)量機(jī)床；

數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出。

（二）定位精度的補(bǔ)償

如果NC機(jī)床的定位誤差超出允許范圍，則必須進(jìn)行機(jī)床的誤差補(bǔ)償。常用的方法是計(jì)算螺距誤差補(bǔ)償表，手動(dòng)輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，從而消除了數(shù)控機(jī)床的位置誤差，三軸或四軸補(bǔ)償點(diǎn)可能有幾十萬點(diǎn)，因此手動(dòng)補(bǔ)償需要花更多的時(shí)間，容易出錯(cuò)［8］。

現(xiàn)在通過RS232接口和CNC控制器連接到計(jì)算機(jī)上，由VB控制激光干涉儀和數(shù)控機(jī)床同步自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)螺距誤差補(bǔ)償對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度，作為補(bǔ)償方法：

CNC控制系統(tǒng)中現(xiàn)有的補(bǔ)償參數(shù)；

由計(jì)算機(jī)生成的進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位精度測(cè)量的機(jī)床CNC程序傳送到CNC系統(tǒng)；

自動(dòng)測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的位置誤差；

根據(jù)指定的補(bǔ)償點(diǎn)產(chǎn)生一組新的補(bǔ)償參數(shù)，并傳送到CNC系統(tǒng)，自動(dòng)螺距補(bǔ)償；［9］

重復(fù)精度驗(yàn)證。

三、根據(jù)各種條件下數(shù)控機(jī)床的精度，采用螺距誤差補(bǔ)償功能和自動(dòng)反沖補(bǔ)償功能，合理選擇軸向補(bǔ)償點(diǎn)的分布，使數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)最佳精度，大大提高檢測(cè)機(jī)床定位精度的效率［10］。

定位精度是數(shù)控機(jī)床的重要指標(biāo)。雖然用戶可以選擇購(gòu)買盡可能多的高精度機(jī)床，但誤差小，但設(shè)備投入使用時(shí)間更長(zhǎng)，設(shè)備磨損更大，導(dǎo)致機(jī)床定位誤差越來越大，有一個(gè)對(duì)零件的加工和生產(chǎn)具有破壞性影響。采用精確測(cè)量和補(bǔ)償反向偏壓的方法，機(jī)床軸的定位精度，可有效減少或消除反向偏置對(duì)機(jī)床精度的不利影響，提高機(jī)床的定位精度，機(jī)床精度在最佳狀態(tài)，從而保證加工零件的質(zhì)量。

［1］郭士雄，李國(guó)強(qiáng)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)ANSYS的二次開發(fā)［J］；四川建筑科學(xué)研究；2005年02期

［2］王秀彥，費(fèi)仁元，安國(guó)平；21世紀(jì)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［J］；北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）；2002年01期

［3］吳希讓，吳國(guó)玥；新型CNC機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］；兵工自動(dòng)化；2000年03期

［4］史長(zhǎng)虹，張建民，張同莊，郝娟，范宇，鄒秋玲，賈東云；變軸數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度評(píng)定策略探討［J］；北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)；2001年04期

［5］沈興全，張清；三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)與誤差補(bǔ)償［J］；測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)；2005年03期

［6］孫宜標(biāo)，郭慶鼎；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給定補(bǔ)償?shù)慕涣饔来胖本€伺服系統(tǒng)滑?？刂疲跩］；電工技術(shù)學(xué)報(bào)；2002年03期

［7］姚立新，張武學(xué)，連軍莉；AOI系統(tǒng)在PCB中的應(yīng)用［J］；電子工業(yè)專用設(shè)備；2004年05期

［8］趙萬生，李文卓，王振龍；高精度微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的研制［J］；電加工與模具；2004年01期

［9］董德生；曾偉梁；杭觀榮；王振龍；群孔的微細(xì)電火花加工技術(shù)研究［J］；電加工與模具；2006年02期

［10］葛鎖良，劉文慰；基于模糊控制的交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］；東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）；2003年S1期