CNC2190數控龍門銑床螺距誤差補償與重建

陳勇徐偉

(中國科學院光電技術研究所，四川成都610209)

數控機床的定位精度是影響其高精度性能的一個重要方面，因而也是數控機床驗收和檢測時的一個重要項目。隨著工件加工精度的不斷提高，除要求數控機床本身具有較高精度外，還要采用各種誤差補償技術在加工過程中對誤差進行自動補償。在半閉環加工系統中，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響，盡管可以不斷提高滾珠絲杠的制造精度，但制造誤差總是存在。為獲得超過滾珠絲杠制造精度的運動精度，采用螺距誤差補償功能，利用數控系統對誤差進行補償與修正。采用誤差補償功能的另一個原因是數控機床經長時間使用后，由于機械磨損等原因，導致絲杠螺距誤差增大，加工精度得不到保證［1］，通過對機床進行周期檢定和誤差補償，可在保持精度的前提下延長機床的使用壽命，提高機床的加工精度［2-3］。

1 螺距誤差補償原理

定位精度(Positional Accuracy)指工件或刀具等實際位置與標準位置(理論位置、理想位置)之間的差距，差距越小，說明精度越高，是工件加工精度得以保證的前提［4］。

由于加工設備的精度及加工條件的變化，以及機床長期使用的磨損，都將導致滾珠絲杠存在螺距誤差，從而影響機床的定位精度［5-6］。我們常用的數控系統根據反饋檢測方式可以分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統。螺距誤差補償對開環控制系統和半閉環控制系統定位精度的提高效果相當明顯。

螺距誤差補償的基本原理是將數控機床某軸的指令位置與高精度測量系統測得的實際位置進行比較，計算出在全行程上的誤差曲線，并將誤差值輸入數控系統中，加工過程中，數控系統在對該軸實施控制時，會自動對該軸誤差值加以補償［7］。螺距誤差補償步驟分析，首先，需要用高精度測量系統對機床全行程進行測量，測得該軸具體的誤差值。然后分析定位精度和重復定位精度，繪制誤差曲線，對于重復定位精度較差的軸，因為無法準確確定其誤差曲線，無法通過螺距誤差補償提高其定位精度。最后把誤差值輸入數控系統，進行反向間隙補償和螺距誤差補償。

2 CNC2190數控龍門銑床螺距誤差補償與重建

機床介紹:CNC2190數控龍門銑床由臺灣協鴻工業股份有限公司2004年生產，配備FANUC 18-M系統，如圖1所示。經過7年的運行，機床定位精度顯著下降，反向間歇增大，導致加工精度下降，根據設備定期檢測計劃對此設備進行了定位檢測和補償。

2．1 FANUC 18－M系統螺距補償相關參數說明

(1)FANUC 18-M系統的反向間隙補償參數1851～1852

數據形式:字軸型;數據單位:檢測單位;數據范圍:-9 999～9 999。設定各軸的反向間隙補償量，接通電源后，當機床向與參考點相反的方向移動時，進行第一次反向間隙補償。

(2)FANUC 18-M系統的螺距誤差補償參數

參數3620是各軸參考點的螺距誤差補償位置號;

參數3621是各軸螺距誤差補償的最小位置編號;

參數3622是各軸螺距誤差補償的最大位置編號;

參數3623是各軸螺距誤差補償的放大倍率;

參數3624是各軸螺距誤差補償的位置間距。

2.2 定位精度檢測

機床X向行程為-1 980～30 mm，確定螺距補償位置間隔為30 mm，即參數3624的X值設置為30 000。參考點的補償位置號為66(參數3620的X為66)，X軸螺距誤差補償的最小位置號為66-1 980/30+1=1;X軸螺距誤差補償的最大位置號為66+30/30=67。機床坐標和補償位置之間的關系如圖2所示。

采用惠普雙頻激光干涉儀對機床的定位精度進行了測量，測量原理［8］如圖3所示，測得機床X軸的定位精度為0.18 mm，超過了機床定位精度允差0.005 mm/300 mm，因此需要進行螺距誤差補償。

為了易于螺距誤差補償，首先將系統內原有的螺距誤差補償值全部清空，再運行程序檢測，測量時，NC的運行程序［9］如下:

測量出各坐標位置的實際位置，得出相應螺距誤差補償值，如表1所示，并繪制出螺距誤差補償曲線如圖4所示。

表1 螺距誤差補償值

2.3 反向間歇補償

反向間歇的補償參數是參數號1851和1852，1851表示各軸的反向間歇補償量，1852表示各軸快速移動時的反向間歇補償量。只有當參數No.1800#4(RBK)設為1時，參數1852才有效;當參數No.1800#4(RBK)設為0時，切削進給和快速進給均按照通常1851的反向間歇量進行補償。

(1)把手輪置于MDI模式或應急暫停模式;(2)點擊“OFFSET SETTING”按鈕 ，然后點擊“SETTING”軟鍵盤，修改參數寫入使能，即設置為1;(3)點擊“SYSTEM”按鈕，下翻參數到1851～1852，根據實測的反向間歇值輸入反向間歇補償值;(4)修改參數可寫入使能，即設置為0;(5)關機，回機床原點。

同理，對Y軸、Z軸進行反向間歇補償，減小機床各軸的反向間歇。

2．4 螺距誤差補償

測量并計算出了螺距誤差補償值，把該補償值輸入FANUC 18-M系統進行螺距誤差補償。

(1)把手輪置于MDI模式或應急暫停模式;(2)點擊“OFFSET SETTING”按鈕 ，然后點擊“SETTING”軟鍵盤，修改參數寫入使能，即設置為1;(3)點擊“SYSTEM”按鈕，下翻參數到3620～3624，進行螺距補償相關參數的設置;(4)點擊“間距”軟鍵，下翻到各軸螺距誤差補償的位置編號，根據上述螺距誤差補償曲線輸入螺距誤差補償值;(5)修改參數可寫入使能，即設置為0;(6)關機，回機床原點。

同理，對Y軸、Z軸進行螺距誤差補償，恢復機床各軸的定位精度。

3 結語

絲杠螺距誤差補償對半閉環控制系統和開環控制系統具有顯著的效果，可明顯提高數控機床的定位精度和重復定位精度。本文詳盡地介紹了螺距補償的原理及具體調整方法，并針對CNC2190數控龍門銑床FANUC 18-M系統的螺距誤差進行了實際補償和重建，正確設定了螺距誤差補償值，對提高數控機床的定位精度和重復定位精度有重要的實用價值，為FANUC 18-M系統的螺距誤差補償提供了具體操作方法。

［1］彭曉南.數控技術［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［2］游華云，葉佩青，汪勁松，等.輪回式雙向螺距誤差補償方法［J］.清華大學學報:自然科學版，2003，43(11):1456-1459.

［3］張虎，云飛，唐小琦，等.數控機床定位誤差的軟件補償［J］.華中科技大學學報，2001，29(4):47-49.

［4］張虎，周云飛，等.基于激光干涉儀的數控機床運動誤差識別與補償［J］.中國機械工程，2002，13(21):1838-1841.

［5］李繼中.數控機床螺距誤差補償與分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2010(2):98-101.

［6］劉又午，劉麗冰，趙小松，等.數控機床誤差補償技術研究［J］.中國機械工程，1998，9(12):48-521.

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［8］楊永，向丹，姚屏.數控機床螺距誤差補償技術研究［J］.工具技術，2007，41(6):83-85.

［9］北京發那科機電有限公司.FANUC Series 18-Mate OPERATOR’MANUAL［Z］.BEIJING-FANUC，1988.