基于螺距誤差補償提高YK7350數控磨齒機的運動精度

雷楠南

(三門峽職業技術學院 機電工程學院, 河南 三門峽 472000 )

因為數控機床的運動精度決定著產品的加工質量，所以經常用定位精度和重復定位精度來評定數控機床的加工性能[1]。導致數控機床運動精度差的因素可分兩類，一類為數控機床的機械部件制造和裝配誤差，如滾珠絲杠副的制造精度不高、機械裝配精度低[2]；另一類為數控系統的控制精度低而引起運動精度不高。文中提到的YK7350數控磨齒機為精密數控加工設備，配置西門子828D數控系統且在磨齒機每個坐標軸運動方向專門配置了光柵尺，實現了數控系統的閉環控制。該磨齒機所選用的機械部件如滾珠絲杠、導軌等都經過嚴格檢查并由經驗豐富的工人師傅進行規范安裝，但是在齒輪磨削加工過程中，齒形發生錯誤。

為此，文章以西門子828D數控系統為例，決定利用激光干涉儀來檢驗該磨齒機的定位精度以便分析誤差產生的原因，期望通過螺距誤差補償、反向間隙補償來提高機床運動精度，滿足生產質量要求[3]。

1 YK7350數控磨齒機定位精度測量

1.1 雷尼紹激光干涉儀測試系統安裝

因為該磨齒機調試完成后，未經過長時間機械磨合，所以為保證激光干涉儀測試數據的真實性，必須對該磨齒機進行空運行。通常，只有在機床充分潤滑、空運行機械磨合后，利用激光干涉儀測試得到的數據才是可靠、真實的。采用雷尼紹激光干涉儀測量數控機床定位精度時，第一步要架設好激光干涉儀，做好測試前的準備工作。激光干涉儀架設的關鍵是根據被測坐標軸運動方向選擇好激光頭、反射鏡及干涉鏡的安裝位置；以普通的三坐標數控機床定位精度測量為例，在測量X、Y、Z三個坐標軸的定位精度時，激光頭及三腳架調整好后，測量過程中可保持其位置不變，只需改變反射鏡安裝位置、重新組裝干涉鏡便可實現各坐標軸的測量，激光頭及測量鏡組的安裝，如圖1所示。

圖1 激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝方法

在激光干涉儀測試系統架設完成后，第二步是激光干涉儀的準直調光工作。激光準直的目的是保證激光頭發射出的激光經過線性干涉鏡入射到線性反光鏡，從反射鏡反射回來的光與基準光束重合。為了保證激光準直工作的順利進行，在調光時，首先要借助水平儀調整激光頭盡量使其保持水平；接著打開激光頭電源預熱，調整安裝有反射鏡的磁性表座位置，保證激光頭光束能照射在裝有白色光靶的反射鏡上。然后將安裝有線性干涉鏡的磁性表座安裝在機床不可動部件上，并調整磁性表座使激光頭光束能照射在裝有白色光靶的干涉鏡上，使入射光點位于光靶中心。在這一過程中要注意安裝線性干涉鏡的機床不可動部件要有良好的基準平面，否則容易造成調光困難。最后Z坐標軸定位精度測量去掉反射鏡和干涉鏡上的光靶，移動機床被測坐標軸，在測量行程內觀察激光頭光標上光束準直情況，可以利用激光頭后側的調整旋鈕來進行微調，最終使光點重疊即可完成準直調光工作。因為YK7350磨齒機的X軸為上下移動，Z軸前后移動，所以X坐標軸定位精度測量時，激光頭、線性干涉鏡、反射鏡的安裝位置如圖2所示；Z坐標軸定位精度測量時，激光頭、線性干涉鏡、反射鏡的安裝位置如圖3所示。

圖2 Z坐標軸定位測量激光干涉儀安裝位置

圖3 Z坐標軸定位精度測量激光干涉儀安裝位置

1.2 定位精度測試方案、程序編制及測量

在激光干涉儀測試系統調試完畢后，還需編制被測坐標軸的運動程序。編制程序的要求是：機床從坐標軸要求補償的起點開始運動至補償的終點，每間隔一個測量間距，停止約4 s以便測試系統采集記錄數據。因為初步判斷YK7350數控磨齒機的加工精度不達標是由機床定位精度差引起的，所以為便于后續補償工作，選取的測量間隔越小，螺距誤差補償后定位精度也就越高[4-5]，此處選用的補償間隔為10 mm。

以磨齒機X坐標軸為例進行定位精度測試時，該軸運動行程為500 mm，測量定位點間距若取10 mm，要求被測坐標軸從X坐標軸原點位置開始直線運動定位，每次運動10 mm、停止4 s時間記錄數據，直至運動到行程終點500 mm位置；然后，再從行程終點500 mm處運動到坐標軸原點位置。由于被測X坐標軸原點位置和終點位置都需要測量，所以編程時必須使X軸在運動時跨越這兩點位置，如在正向運動測量X0坐標位置時，應從X-2位置運動到X0位置；在負向運動測量X500位置時，應從X-502位置運動到X500位置。若采用國家GB/17421.2—2000標準進行數控機床定位精度評定時，要求數控機床被測坐標軸往復運動5次，所以編寫的參考測量程序如下[6]。

DEF INT TIME=4；(目標位置停留4 s時間)

R2=0；(R2為測量的次數，初始值為0)

G53 G90 G1 X-2 F4000；(運動到正方向進給的起始位置X-2)

R1=0；(R1為測量的的點數)

X0 F4000； (運動到第1個目標位置X0)

G4 F=TIME；

AAA：

G91 X10；(運動到間隔10 mm的下1個目標位置)

G4 F=TIME；

R1=R1+1；

STOPRE

IF R1<51 GOTOB AAA；(測量完51個目標位置后繼續往下執行程序)

G90 X502；(運動到負方向進給的起始位置X502)

G4 F=TIME；

X500；

G4 F=TIME；

BBB：

G91 X-10；(運動到間隔10 mm的下1個目標位置)

G4 F=TIME；

R1=R1-1；

STOPRE

IF R1>0 GOTOB BBB；(測量完51個目標位置后繼續往下執行程序)

R2=R2+1；

STOPRE

IF R2<5 GOTOB CCC；(測量5次)

M30；

對磨齒機的Z坐標軸進行定位精度測試時，該軸運動行程為90 mm，測量定位點間距若取10 mm，則要求從Z坐標軸原點位置開始直線運動定位，每次運動10 mm、停止4 s時間記錄數據，直至運動到行程終點90 mm位置；然后，再從行程終點90 mm處運動到坐標軸原點位置。同理，因為Z坐標軸原點位置和終點位置都需要測量，所以編程時必須使Z軸在運動時跨越這兩點位置，Z軸測量程序編制方法與X軸類似。

在測量程序編制完成并經過檢查無誤后，即可進行定位精度實測。通過對X坐標軸定位精度測量，在機床運動行程0至500 mm內，僅有部分目標位置的定位誤差值較大，且最大值為0.012 mm，其余目標位置的誤差值基本都在0.001 mm至0.005 mm。因此，可判定X軸定位精度對磨齒機加工精度影響不大。而通過對Z坐標軸定位精度的測量發現，Z軸定位誤差值較大，最大值為0.03 mm，且誤差呈累積增大現象。選取Z軸2次往復運動的測試數據進行誤差分析，繪制出Z軸的定位誤差曲線如圖4所示，由此可判定該磨齒機加工齒輪所產生的齒形誤差是由Z軸定位精度差引起的，可通過數控系統螺距誤差補償來消除機床誤差。

圖4 Z軸定位誤差曲線

2 數控系統螺距誤差補償及定位精度重新測定

2.1 誤差補償表的生成

因為西門子828D數控系統螺距誤差補償方式為絕對值補償，所以在利用雷尼紹數據分析軟件時必須選擇“均值補償”“絕對方式”來生成螺距誤差補償表。利用數據分析軟件分別對X、Z兩個坐標軸的定位精度測試結果進行分析，生成的誤差補償數據如表1、表2所示。

表1 X軸誤差補償數據

表2 Z軸誤差補償數據

2.2 螺距誤差與反向間隙補償方法

對西門子828D數控系統進行螺距誤差補償時，必須將螺距誤差補償生效參數32700設置為0，然后才可將誤差補償值寫入[7]。此時，通過數控系統界面上的菜單選擇→調試→系統數據→NC數據→NC生效數據→測量系統誤差補償[8]，找到相應坐標軸填入誤差補償值。打開相應的補償表如表3所示，必須先寫入補償數據的起始位置、補償數據的終止位置、補償間隔及補償軸的屬性值。當這幾個數據設置完成后，系統會自動生成補償點數。

表3 828D系統螺距誤差補償數據表結構

以X坐標軸為例，在寫入補償值時，因為補償數據的起始位置為0、補償數據的終止位置500、補償間隔為10，補償軸為直線軸，所以有：AA_ENC_COMP_STEP[0,AX1]=10；表示補償間隔為10 mm。 AA_ENC_COMP_MIN[0,AX1]=0；表述補償數據的起始位置為X=0。AA_ENC_COMP_MAX[0,AX1]=500；表示補償數據的終止位置為X=500。AA_ENC_COMP_IS_MODULO[0,AX1]=0表示補償軸為直線軸。 這幾個補償數據設置完成后，補償點數會自動生成，此時只需將表1中的誤差值寫入對應的51個補償點即可。Z坐標軸補償方法與X軸相同，只需將表2中的誤差值寫入對應的19個補償點即可。最后，再將32700設置為1，然后重啟系統，返回參考點后補償值生效。又因為數控機床運動過程中反向間隙對定位精度的影響，還需將反向間隙補償值寫入參數32450，使反向間隙補償生效。在對X、Z坐標軸完成螺距誤差補償且補償數據生效后，重新對X、Z坐標軸進行定位精度測量及數據分析，選取2次往復運動的測試數據進行分析，得到定位誤差曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 X軸定位誤差曲線

圖6 Z軸定位誤差曲線

觀察圖4所示的X軸定位精度曲線，可見經過系統螺距誤差補償后，在坐標軸0至500 mm運動行程內，最大的位置誤差值為0.004 mm，且大部分目標點的位置誤差值介于-0.003 mm至0.002 mm之間，沒有誤差積累的情況。在圖5所示的Z軸定位精度曲線中，經過系統螺距誤差補償，在坐標軸0至90 mm運動行程內，最大的位置誤差值為-0.003 mm，且大部分目標點的位置誤差值介于-0.002 mm至0.001 mm之間，沒有誤差積累的情況。相比較于Z軸補償前誤差逐漸積累增大至0.03 mm的情況，經過螺距誤差補償后機床運動的定位精度顯著提高。

3 結論

在利用激光干涉儀測試數控機床定位精度的過程中，關鍵是針對測試現場情況架設干涉儀、組裝干涉鏡組，重點是激光準直調光。測試定位精度的目的是判斷機床運動精度是否達標，由于數控機床機械部件、系統控制精度一般較高，其運動定位誤差值一般在0.01 mm左右。通過對YK7350數控磨齒機定位精度測試分析及螺距誤差補償，重新對X、Z軸進行定位評定，評定結果為Z軸最大誤差值為0.003 mm，X軸最大誤差值為0.004 mm,且在磨齒機加工行程段的誤差值為0.002 mm，機床精度大幅提高。經過磨齒加工驗證，加工出的齒輪達到用戶要求。需要注意的是在測試新機床時一定要先進行機床空運行，保證充分潤滑、足夠的機械磨合時間，以保證測試數據的真實性。