數(shù)控機床手動補償誤差的方法研究

司衛(wèi)征，周倫彬，黃志斌，林冬青

（廣州市計量檢測技術(shù)研究院，廣東 廣州 510030）

1 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機床在各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，人們對數(shù)控機床周期性精度檢測的認(rèn)識并沒有跟上機床普及的速度，相當(dāng)多的用戶認(rèn)為買了數(shù)控機床，加工精度就有保障了，而不知數(shù)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(shù)控機床進(jìn)行精度檢測和誤差補償，對于企業(yè)合理安排生產(chǎn)調(diào)度，降低生產(chǎn)成本，提高數(shù)控機床利用率和延長其使用壽命至關(guān)重要。

該文采用RENISHAW公司生產(chǎn)的XL-80雙頻激光干涉儀系統(tǒng)，以手動補償?shù)姆绞?，分別對以SIEMENS802D、840D，F(xiàn)ANUCK 0i-C，F(xiàn)AGRO 為操作系統(tǒng)的數(shù)控機床的誤差補償方法進(jìn)行分析。

2 測量原理

頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強，某些區(qū)域的振動減弱，并且振動加強和減弱的區(qū)域互相間隔，這種現(xiàn)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(fā)出，這一束單頻激光波長能夠達(dá)到0.633μm，在真空狀態(tài)下，波長穩(wěn)定性在長時間范圍內(nèi)要高于0.1μm。當(dāng)此光束抵達(dá)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(jìn)行調(diào)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(chǎn)生干涉條紋[1-2]。根據(jù)光的疊加和干涉原理，凡光程差等于波長整數(shù)倍的位置，振動加強，產(chǎn)生明條紋；凡光程差等于半波長奇數(shù)倍的位置，振動減弱，產(chǎn)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(xué)元件沿著線性軸線運動。當(dāng)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(xiàn)的明條紋數(shù)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(huán)境、安裝條件、機床溫度和線膨脹系數(shù)不確定等諸多因素的影響，從而降低了精度[3]。在數(shù)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(shù)的影響[4]。因此，在調(diào)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(yīng)，并在軟件中輸入材料的線膨脹系數(shù)。

4 檢測方法

根據(jù)數(shù)控機床精度檢測中常用標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 230-2、國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17421.2-2000、德國標(biāo)準(zhǔn)VDI-3441和日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B6336，同時結(jié)合數(shù)控機床驗收合同，對數(shù)控機床的定位精度和反向量差進(jìn)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(zhǔn)備。先預(yù)熱機床2個小時左右，架上激光并調(diào)整好檢測所需光路，打開軟件且設(shè)置好各項參數(shù)。

（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(huán)，判斷精度是否超差。

（3）超差判斷。對試運行階段采得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行檢測，運行5個或7個循環(huán)，根據(jù)上述驗收標(biāo)準(zhǔn)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(jù)相應(yīng)的補償方法進(jìn)行補償。

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

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

（7）處理數(shù)據(jù)，出具檢測報告。

5 誤差補償方法

數(shù)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(zhì)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(shù)控機床的幾何精度在其安置調(diào)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(shù)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(lián)接，用VB編寫的自動校準(zhǔn)軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機床同步工作，實現(xiàn)對數(shù)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(yīng)要求嚴(yán)格，型號不對應(yīng)將對機床產(chǎn)生非常大的損害，可能直接導(dǎo)致機床停止運行，因此自動補償風(fēng)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(yè)維護(hù)數(shù)控機床的成本。手動補償方式根據(jù)機床參數(shù)手冊修改參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)不對隨時可以恢復(fù)，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(yè)成本。

該文以SIEMENS802D、840D，F(xiàn)ANUCK-0i，F(xiàn)AGRO為操作系統(tǒng)的數(shù)控機床的定位精度補償和反向量差補償為例，介紹數(shù)控機床誤差手動補償方法。

5.1SIEMENS802D操作系統(tǒng)

數(shù)控機床在出廠前已經(jīng)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(yīng)的參數(shù)。以數(shù)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(shè)置程序運行參數(shù)。在軸參數(shù)中，查找誤差最大補償點數(shù)參數(shù)MD38000、絲桿螺距誤差補償參數(shù)MD32700、反向間隙補償參數(shù)32450，并記錄各個參數(shù)對應(yīng)的原始值。補償時MD38000盡量不修改，因該參數(shù)是廠家根據(jù)客戶使用要求設(shè)置。若修改此參數(shù)，會引起NCK內(nèi)存重新分配，造成丟失數(shù)據(jù)，因此修改前要做備份。設(shè)X軸反向間隙補償參數(shù)32450對應(yīng)參數(shù)值為“0”，使其失效。設(shè)參數(shù)32700對應(yīng)參數(shù)值為“0”，使螺距誤差補償不起作用。執(zhí)行NCK Reset鍵，使修改的參數(shù)生效，X軸返回到參考點。

在激光軟件中設(shè)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(huán)。結(jié)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(yīng)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(yīng)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(shù)控系統(tǒng)。設(shè)X軸螺距誤差參數(shù)32700 SMA_NEC_COMP_ENABLE[1，AX1]=1使補償值有效。執(zhí)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(tǒng)

以三軸數(shù)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(shù)。記錄絲桿螺距誤差補償參數(shù)MD32700和反向間隙補償參數(shù)42500對應(yīng)的原始值。設(shè)X軸反向間隙補償參數(shù)42500對應(yīng)參數(shù)值為“0”，使反向間隙補償失效，設(shè)參數(shù)32700對應(yīng)參數(shù)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(zhí)行NCK Reset鍵，使修改的參數(shù)生效，X軸返回到參考點。

設(shè)置激光軟件中機床信息，檢測起始點（當(dāng)從最遠(yuǎn)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(huán)。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(yīng)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(yīng)的位置上。運行程序AX1_EEC，使補償值寫入數(shù)控系統(tǒng)。設(shè)X軸螺距誤差參數(shù)32700 SMA_NEC_COMP_ENABLE[1，AX1]=1使補償值有效。運行“Tab on”程序，執(zhí)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(tǒng)

補償前，將待檢測軸參考點螺距誤差補償參數(shù)和反向間隙補償參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。即參考點補償號參數(shù)3620，負(fù)方向最遠(yuǎn)端補償點號參數(shù)3621，正方向最遠(yuǎn)端補償點號參數(shù)3622，補償倍率參數(shù)3623，補償點間隔參數(shù)3624，各參數(shù)的計算方法參照參數(shù)說明書[8]。1851為反向間隙補償參數(shù)，1852為快速移動時反向間隙補償參數(shù)。當(dāng)參數(shù)1800#4（RBK）設(shè)置為“0”時，為正常補償，不論切削進(jìn)給或快速移動，均按參數(shù)1851進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)1800#4（RBK）設(shè)置為“1”時為切削進(jìn)給或快速移動反向間隙補償，均按參數(shù)1852進(jìn)行設(shè)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(shù)1800#4（RBK）設(shè)置為“0”，參數(shù)1851補償值設(shè)置為“0”，使反向間隙補償失效。參數(shù)3620-3624根據(jù)檢測需要設(shè)置，設(shè)置完畢后機床重啟。

在激光軟件中設(shè)置機床信息、檢測起始點、補償間隔等。檢測運行2個循環(huán)，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(yīng)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(yīng)的補償位置參數(shù)中。補償完畢，重啟數(shù)控機床。以同樣方法補償Y軸、Z軸等。

5.4FAGRO操作系統(tǒng)

以龍門式移動數(shù)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(yīng)的補償參數(shù)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(shè)置機床運行速度、進(jìn)給量、循環(huán)運行次數(shù)、補償間隔、補償點數(shù)、停頓時間、越程等。

在軸參數(shù)中，查找反向間隙補償參數(shù)P14、絲杠誤差補償參數(shù)P15和誤差補償點數(shù)目參數(shù)P16，并記錄各個參數(shù)對應(yīng)的原始值。補償時把P14對應(yīng)數(shù)值清零，反向間隙補償失效。P15設(shè)為OFF，絲杠誤差補不起作用。P16輸入補償點數(shù)目，此數(shù)值應(yīng)與補償文件中一致。先后按SHIFT和RESET，使修改的參數(shù)生效，X軸返回到參考點。

在激光軟件中設(shè)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(jié)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(yīng)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(shù)表中。P15改為ON，使當(dāng)前的補償表生效。先后按CNC的SHIFT、RESET使修改的參數(shù)生效。此時X軸參考點的補償值應(yīng)為零。以同樣的方法手動補償Y軸、Z軸、U軸、V軸。

數(shù)控機床的定位誤差經(jīng)補償后一般能恢復(fù)到出廠前的技術(shù)指標(biāo)，但在補償過程中，若遇到返程曲線和正程曲線出現(xiàn)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(xù)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(fù)，應(yīng)先調(diào)修機械部分然后再補償。

6 結(jié)束語

不同的數(shù)控系統(tǒng)，不同的數(shù)控機床型號，其補償參數(shù)設(shè)置差別較大，因而數(shù)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(shù)控系統(tǒng)熟悉，還需要其長期的學(xué)習(xí)積累和總結(jié)。然而，不管數(shù)控機床類型和功能等如何變化，總體來說，采用手動補償?shù)姆绞叫拚龜?shù)控機床精度誤差始終是一種較為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的方法。

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