淺談數控機床精度誤差的測定與補償

摘要：本文通過對數控機床常用的幾種精度誤差的測定與補償方法的分析，闡述了螺距補償的原理與方法，并以SINUMERIK840D作實例分析利用數控系統的對機床精度誤差補償功能進行調整，從而大大提高數控機床的定位精度。

關鍵詞：定位精度 補償 誤差

0 引言

目前在裝備制造業中，數控機床作為新一代母機已經被廣泛應用。如今零件制造精度逐年提高，機密加工技術發展迅猛，因此對加工設備精度的要求不斷提升，高性能的數控機床需求加大。目前機床所采用的傳動方式大多以伺服電機連接絲杠通過絲母進行傳動。由于加工條件限制，所有的絲杠都存在誤差，所以當電機按照系統指令轉動足夠的圈數之后，反映到移動軸上的位置總會出現誤差。絲杠精度越差，行程越長，累計誤差也就越大。通過利用數控系統的補償功能可以提升機床精度和性能。有統計資料顯示：新出廠的數控機床有65%在裝配過程中性能指標未達到理想狀態，80%以上的機床存在精度缺失，因此，要定期對數控機床進行精度測量與誤差補償。特別是各軸的定位精度和重復定位精度，以便及時發現和解決問題，提高零件加工精度。

1 絲杠螺距補償原理

在機床坐標系中，在測量軸的運動行程內將其分為若干相等的測量段，每個測量單位的測量點可以根據總行程與實際測量情況可以適當增加，通過激光干涉儀進行測量，測量時被測目標須多次從正反兩個方向運動到目標零點，測出將每個測量點的位置偏差并計算出平均值，測量系統將該值記錄在PC機內，然后將該值填人數控系統的螺距誤差補償表中。通過數控系統補償后，被測軸將根據運算后的補償值到達目標位置，使誤差部分抵消，實現螺距誤差的補償。通常數控機床包含定位精度，反向偏差，垂度偏差，雙向螺補幾個位置精度的要求。因此對幾項精度的測量與補償是提高數控機床加工精度的有效手段。

2 定位精度的測定與補償[1]

通常在數控系統的控制下，被測機床的運動部件所能達到的最高位置精度被稱為數控機床的定位精度。它是作為數控機床的一項重要的動態精度，與機床的幾何精度共同決定機床切削精度。現階段多采用激光干涉儀測量法對數控機床進行誤差檢測和數據分析。我單位采用Renishaw激光干涉儀，其最大的優點是所有測量功能均采用激光干涉原理，測量中以實時波長為基準，性能穩定，使用可靠，功能擴展性強。下面以SINUMERIK840D系統的數控機床Z軸為例，介紹其使用激光干涉儀檢測螺距誤差的步驟與補償過程。首先架設激光干涉儀，將測量設備與補償設備與PC機連接并將反射鏡組件固定在被測軸上方；設置測量零點并編制測量程序設置躍層量用于消除反向間隙誤差使測量更準確，設置單位定長為步距，并將測量軸行程分為數個測量點；啟動測量程序，要求全行程至少完成三次正反向測量，激光干涉儀將自動在PC機記錄測量數據，通過數據擬合算出各個測量點的平均誤差補償值；打開數控系統螺距誤差補償界面，將此誤差補償值輸入數控系統的補償文檔里面，確認后存儲。SINUMERIK840D的補償有兩種方式。第一種方法為系統自動生成補償文件，將補償文件傳入計算機，在PC機上編譯并輸入補償值，佳能補償文件傳入系統，第二種方法為，系統自動生成螺距補償文件，將補償文件格式更改為加工程序，通過OP單元佳能補償值輸進該程序，運行該零件程序即可將補償值寫入系統。一般應用第二種方法進行補償。定位精度作為數控機床出廠的重要指標，一般在出廠之前就已經完成補償，但是隨著設備投入使用時間越長，傳動機構的磨損與老化對機床定位精度誤差的影響越來越明顯，導致數控設備加工精度下降。若定期采用激光干涉儀按照上述方法對機床進行定位精度補償，可以有效的控制機床誤差對機床精度造成的不良影響，提高機床的加工精度，使機床處于最佳精度狀態。

3 反向偏差的測量與補償

數控機床的傳動系統中，各運動軸進給傳動鏈的驅動部件或者鏈接部件（如聯軸器）存在反向死區，反向間隙等誤差存在于各機械運動傳動副中，這些將使各坐標軸在運動換向的瞬間形成間隙從而造成反向偏差誤差，通常也稱反向間隙或失動量。數控機床多采用半閉環反饋的伺服系統，其定位精度與重復定位精度會由于反向間隙誤差的存在影響設備的加工精度。在G00快速定位運動中，機床的定位精度會受到反向間隙誤差會影響，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時各孔間的位置精度降低，而在G01的直線插補切削過程中， 插補的精度也會受到反向間隙誤差的影響，若偏差過大就會造成零件報廢等不良后果。以SINUMERIK840D反向偏差的補償為例，將在快速運動時測得的反向偏差值作為補償值輸入補償參數，對坐標位移指令值進行補償、修正，使機床準確地定位在指令位置上，消除或減小反向偏差對機床精度的不利影響。

4 懸垂補償與雙向螺距補償[2]

懸垂補償是由于補償軸由于自身重量而產生的懸垂誤差。該補償將軸分為兩類：基準軸和補償軸。根據基準軸的位置對補償軸進行實際值的補償。補償值是系統附加給軸的一個偏移量。當Y1軸沿負向移動時，Z1軸沿負向的懸垂誤差越來越大。補償時，根據Y1軸的進給及用戶定義的插補點，系統在一個插補循環內計算出相應的 Z1軸向的補償值。插補點之間的為直線插補。補償值為正，意味著補償軸應沿負向移動。懸垂補償功能有雙向螺距誤差補償功能，下垂補償功能用于螺距誤差或測量系統誤差補償時的定義方法：根據840D資料的描述，機床的一個軸，在同一補償表中，既可以定義為基準軸，又可以定義為補償軸。當基準軸和補償軸同為一個軸時，可以利用下垂補償功能對該軸進行螺距誤差或測量系統誤差補償。從補償變量參數$AN_CEC_DIRECTION[t]的描述中可以看出，由于下垂補償功能補償值具有方向性，所以，下垂補償功能在用于螺距誤差或測量系統誤差時，可以理解為在坐標軸兩個方向上可以分別給予補償。一個表應用于補償軸的運行正方向，另一個表應用于補償同一軸的運行負方向。

5 誤差補償的適用范圍

數控機床螺距誤差補償對開環控制系統和半閉環控制系統具有顯著的效果，可明顯提高系統的定位精度和重復定位精度；對于全閉環控制系統，由于其控制精度較高，進行螺距誤差補償不會取得明顯的效果，但也可進行螺距誤差補償。

參考文獻：

[1]鐘偉弘.數控機床定位誤差的激光干涉法檢測與補償.組合機床與自動化加工技術.

[2]陳吉紅.數控機床實驗指南.華中科技大學出版社.2003.