數控機床手動補償誤差的方法研究

司衛征，周倫彬，黃志斌，林冬青

（廣州市計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510030）

1 引 言

隨著現代工業的高速發展，數控機床在各個領域中得到廣泛應用。然而，人們對數控機床周期性精度檢測的認識并沒有跟上機床普及的速度，相當多的用戶認為買了數控機床，加工精度就有保障了，而不知數控機床的高精度最終是靠機床本身的精度來保證。因此，定期對數控機床進行精度檢測和誤差補償，對于企業合理安排生產調度，降低生產成本，提高數控機床利用率和延長其使用壽命至關重要。

該文采用RENISHAW公司生產的XL-80雙頻激光干涉儀系統，以手動補償的方式，分別對以SIEMENS802D、840D，FANUCK 0i-C，FAGRO 為操作系統的數控機床的誤差補償方法進行分析。

2 測量原理

頻率相同的兩列波疊加，使某些區域的振動加強，某些區域的振動減弱，并且振動加強和減弱的區域互相間隔，這種現象叫做波的干涉。以Renishaw ML-80激光干涉儀檢測機床線性定位精度差為例，其測量原理如圖1所示。

圖1 Renishaw公司激光干涉儀測量原理

激光束由激光頭發出，這一束單頻激光波長能夠達到0.633μm，在真空狀態下，波長穩定性在長時間范圍內要高于0.1μm。當此光束抵達偏振光分光鏡時，會被分成兩道光束，一束反射光和一束透射光。這兩束光射向其反光鏡，然后被反射到分光鏡的同一個位置，分光鏡對兩個光束進行調制后，直接把光束傳送到接收器中，從而使這兩束光在接受器中產生干涉條紋[1-2]。根據光的疊加和干涉原理，凡光程差等于波長整數倍的位置，振動加強，產生明條紋；凡光程差等于半波長奇數倍的位置，振動減弱，產生暗條紋。

使用激光干涉儀測量線性定位誤差時，干涉鏡或反射鏡之一保持靜止，另一個光學元件沿著線性軸線運動。當干涉鏡與反射鏡之間距離變化，檢波器會在每次光程改變時，在明暗條紋兩極間找到變化的信號。此時干涉條紋會被計算并用來測量兩個光程間的差異變化。光程d等于檢波器中出現的明條紋數乘以激光束的半個波長λ：

3 誤差分析

激光干涉儀是一種高精度的計量儀器，自身精度很高，但受到本身的極限誤差及實際使用中環境、安裝條件、機床溫度和線膨脹系數不確定等諸多因素的影響，從而降低了精度[3]。在數控機床定位精度測試中，主要受雙頻激光干涉儀的極限誤差、安裝誤差、溫度誤差和機床線膨脹系數的影響[4]。因此，在調整激光干涉儀的過程中，盡可能的做到下面三點以減少誤差：

（1）定零位時盡量把干涉鏡和反射鏡靠近，以減少死程誤差。

（2）保證測量的全過程中，鏡組緊固且相互位置不變，光強恒定滿格，以減少阿貝誤差和余弦誤差。

（3）確保補償空氣折射率的溫度、濕度和氣壓傳感器一直有信號響應，并在軟件中輸入材料的線膨脹系數。

4 檢測方法

根據數控機床精度檢測中常用標準國際標準ISO 230-2、國家標準GB/T 17421.2-2000、德國標準VDI-3441和日本標準JIS B6336，同時結合數控機床驗收合同，對數控機床的定位精度和反向量差進行檢測，且采用手動補償方式修正檢測到的誤差。檢測補償路線如圖2所示。

（1）檢測前準備。先預熱機床2個小時左右，架上激光并調整好檢測所需光路，打開軟件且設置好各項參數。

（2）試測。機床在不取消原有補償值的情況下，試運行2個循環，判斷精度是否超差。

（3）超差判斷。對試運行階段采得的數據進行分析，如果定位精度和反向量差都符合機床驗收合同，那么就直接進行檢測，運行5個或7個循環，根據上述驗收標準出具檢測報告。

圖2 檢測補償路線圖

（4）誤差補償。如果定位精度或反向量差超差，根據相應的補償方法進行補償。

（5）再試測。對補償后的機床再次進行精度測試，方法同（2）。若超差返回到（4），查找分析原因繼續補償。反之，進行下一步。

（6）檢測。機床補償后各項指標符合驗收合同或相應的技術要求，運行5個或7個循環，做最后的測試。

（7）處理數據，出具檢測報告。

5 誤差補償方法

數控機床本身精度可分為幾何精度、定位精度和切削加工精度。切削加工精度實質上是幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項綜合反映。數控機床的幾何精度在其安置調整好以后，如無搬遷或大的碰撞事故，其精度一般變化不大。因此，數控機床誤差補償主要是定位精度的補償。

目前誤差補償方法有兩種，一種是自動補償，另一種是手動補償。自動補償主要是利用補償軟件，通過 RS232接口將計算機與機床CNC控制器聯接，用VB編寫的自動校準軟件控制激光干涉儀與數控機床同步工作，實現對數控機床定位精度的自動檢測及自動螺距誤差補償[5-8]。由于補償軟件價格昂貴且對機床型號對應要求嚴格，型號不對應將對機床產生非常大的損害，可能直接導致機床停止運行，因此自動補償風險大。如果機床廠家工作人員在場，此方法快速高效，但也在無形中大大增加了企業維護數控機床的成本。手動補償方式根據機床參數手冊修改參數，發現參數不對隨時可以恢復，不至于對機床造成太大的影響。相比自動補償方式，手動補償方式時間上稍長一些，但此法安全可靠，大大降低企業成本。

該文以SIEMENS802D、840D，FANUCK-0i，FAGRO為操作系統的數控機床的定位精度補償和反向量差補償為例，介紹數控機床誤差手動補償方法。

5.1SIEMENS802D操作系統

數控機床在出廠前已經過反向間隙補償和絲桿螺距誤差補償，檢測時只需修改相應的參數。以數控立式車床SVT250/160Q-NC的X線性軸補償為例，編制補償文件（或有Renishaw軟件自動生成），設置程序運行參數。在軸參數中，查找誤差最大補償點數參數MD38000、絲桿螺距誤差補償參數MD32700、反向間隙補償參數32450，并記錄各個參數對應的原始值。補償時MD38000盡量不修改，因該參數是廠家根據客戶使用要求設置。若修改此參數，會引起NCK內存重新分配，造成丟失數據，因此修改前要做備份。設X軸反向間隙補償參數32450對應參數值為“0”，使其失效。設參數32700對應參數值為“0”，使螺距誤差補償不起作用。執行NCK Reset鍵，使修改的參數生效，X軸返回到參考點。

在激光軟件中設置機床信息、檢測起始點、補償間隔、運行方式、時間間隔、越程等。開始檢測，運行2個循環。結束后繪制誤差補償表，在分析誤差時，選擇均值補償、絕對值、誤差值。查看誤差補償表，記錄反向間隙（反向量差）和各補償點對應的誤差值。

將X軸反向間隙補償值輸入到32450 SMA_BACKLASH[1，AX1]中。打開EEC下的補償文件，把X軸檢測點誤差值輸入到X軸補償程序AX1_EEC.INI對應的位置上。保存、激活和裝載補償文件。運行程序AX1_EEC，使補償值寫入數控系統。設X軸螺距誤差參數32700 SMA_NEC_COMP_ENABLE[1，AX1]=1使補償值有效。執行NCK Reset鍵，X軸返回到參考點，新補償值生效。以同樣的方法手動補償Y軸補償程序AX2_EEC.INI、Z軸補償程序AX3_EEC.INI。

5.2SIEMENS840D操作系統

以三軸數控深孔鉆床FMM3535的X線性軸補償為例。補償前先載入補償程序，運行“Tab off”程序，修改補償參數。記錄絲桿螺距誤差補償參數MD32700和反向間隙補償參數42500對應的原始值。設X軸反向間隙補償參數42500對應參數值為“0”，使反向間隙補償失效，設參數32700對應參數值為“0”，使螺距誤差補償亦失效。保存、激活和裝載補償文件。運行“Tab on”程序，執行NCK Reset鍵，使修改的參數生效，X軸返回到參考點。

設置激光軟件中機床信息，檢測起始點（當從最遠處向機床原點運動時，注意方向及符號），補償間隔等。運行檢測程序，檢測2個循環。分析誤差時，選擇各自補償、絕對值、誤差值。查看誤差補償表，記錄反向間隙和各補償點對應的誤差值。

再次運行“Tab off”程序，把X軸反向間隙補償值輸入到 42500 SMA_BACKLASH[1，AX1]中，把正反方向檢測點誤差值輸入到X軸補償程序AX1_EEC.INI相應的位置上。運行程序AX1_EEC，使補償值寫入數控系統。設X軸螺距誤差參數32700 SMA_NEC_COMP_ENABLE[1，AX1]=1使補償值有效。運行“Tab on”程序，執行NCK Reset鍵，X軸返回到參考點，新補償值生效。以同樣的方法手動補償Y軸、Z軸、W軸等。

5.3FANUC——C/Mate-C操作系統

補償前，將待檢測軸參考點螺距誤差補償參數和反向間隙補償參數進行設置。即參考點補償號參數3620，負方向最遠端補償點號參數3621，正方向最遠端補償點號參數3622，補償倍率參數3623，補償點間隔參數3624，各參數的計算方法參照參數說明書[8]。1851為反向間隙補償參數，1852為快速移動時反向間隙補償參數。當參數1800#4（RBK）設置為“0”時，為正常補償，不論切削進給或快速移動，均按參數1851進行設置。參數1800#4（RBK）設置為“1”時為切削進給或快速移動反向間隙補償，均按參數1852進行設置。

以立式加工中心VDF-850的X線性軸補償為例。補償為正常補償，參數1800#4（RBK）設置為“0”，參數1851補償值設置為“0”，使反向間隙補償失效。參數3620-3624根據檢測需要設置，設置完畢后機床重啟。

在激光軟件中設置機床信息、檢測起始點、補償間隔等。檢測運行2個循環，在分析誤差時，選擇均值補償、增量值、補償值。記錄反向間隙（反向量差）和各補償點對應的誤差值。把激光檢測出來的X線性軸的反向間隙和各點的誤差值，分別輸入到軸X相應的補償位置參數中。補償完畢，重啟數控機床。以同樣方法補償Y軸、Z軸等。

5.4FAGRO操作系統

以龍門式移動數控鉆床PD7045/A4的X線性軸補償為例。檢測前先確定機床零點位置和X軸長度，然后找到X軸對應的補償參數表，輸入密碼，修改其屬性變隱藏“HMX”為顯示“-MX”。編制補償文件設置機床運行速度、進給量、循環運行次數、補償間隔、補償點數、停頓時間、越程等。

在軸參數中，查找反向間隙補償參數P14、絲杠誤差補償參數P15和誤差補償點數目參數P16，并記錄各個參數對應的原始值。補償時把P14對應數值清零，反向間隙補償失效。P15設為OFF，絲杠誤差補不起作用。P16輸入補償點數目，此數值應與補償文件中一致。先后按SHIFT和RESET，使修改的參數生效，X軸返回到參考點。

在激光軟件中設置機床信息、檢測起始點、補償間隔、運行方式、時間間隔等。檢測結束后繪制誤差補償表，在分析誤差時，選擇均值補償、增量值、誤差值，補償起始點。查看誤差補償表，記錄反向間隙（反向量差）和各補償點對應的誤差值。把反向間隙值輸入到P14中，各補償點誤差值輸入到X軸補償參數表中。P15改為ON，使當前的補償表生效。先后按CNC的SHIFT、RESET使修改的參數生效。此時X軸參考點的補償值應為零。以同樣的方法手動補償Y軸、Z軸、U軸、V軸。

數控機床的定位誤差經補償后一般能恢復到出廠前的技術指標，但在補償過程中，若遇到返程曲線和正程曲線出現多次交叉且誤差較大，正、返曲線呈明顯喇叭口形狀，或者連續補償幾次后誤差還是較大的情況，表明機床存在著機械誤差，用軟件無法修復，應先調修機械部分然后再補償。

6 結束語

不同的數控系統，不同的數控機床型號，其補償參數設置差別較大，因而數控機床誤差手動補償方法對檢測人員要求較高，不僅需要其對數控系統熟悉，還需要其長期的學習積累和總結。然而，不管數控機床類型和功能等如何變化，總體來說，采用手動補償的方式修正數控機床精度誤差始終是一種較為安全、可靠、經濟的方法。

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