數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)及提高的應(yīng)用研究*

朱仕學(xué)

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳 518055）

數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)及提高的應(yīng)用研究*

朱仕學(xué)

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳 518055）

通過實(shí)施球桿儀對(duì)機(jī)床二軸插補(bǔ)軌跡進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果反映了伺服、機(jī)械的總體精度，并通過對(duì)影

響精度的具體指標(biāo)進(jìn)行主、次排隊(duì)，分析產(chǎn)生誤差的原因，給出調(diào)整措施，可為數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)、精度提高調(diào)整操作提供依據(jù)。

數(shù)控機(jī)床 加工精度 檢測(cè)

先進(jìn)制造業(yè)裝備技術(shù)水平的高低，影響到一個(gè)國(guó)家在世界制造業(yè)的地位。我們的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床很大部分屬中低檔產(chǎn)品，即使是早年進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床也因年代久遠(yuǎn)技術(shù)落后也面臨更新?lián)Q代，機(jī)床精度達(dá)不到加工高檔產(chǎn)品的要求。而購(gòu)買國(guó)外高檔數(shù)控機(jī)床需花費(fèi)巨大，如何對(duì)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改造和挖掘舊數(shù)控機(jī)床的加工潛力，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度是當(dāng)今我國(guó)機(jī)電行業(yè)迫在眉睫的課題。

數(shù)控機(jī)床的加工精度由數(shù)控系統(tǒng)的控制精度和機(jī)床的機(jī)械精度共同組成。數(shù)控系統(tǒng)的精度高低、伺服控制的方法是否調(diào)整到最優(yōu)直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度，而機(jī)床的機(jī)械本體精度同樣也會(huì)制約數(shù)控機(jī)床的加工精度，影響高精度數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度控制。要研究如何提高數(shù)控機(jī)床加工精度，機(jī)床精度的檢測(cè)尤為重要。首先要尋找一種有效的機(jī)床精度檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的精度誤差定位分析，總結(jié)出數(shù)控機(jī)床不同部位精度誤差的特征表現(xiàn)和針對(duì)性的提出精度提高措施，才能為未來的數(shù)控機(jī)床制造以及現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的改造及精度提高提供良好的技術(shù)支持。

1 數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)常采用的手段

（1）常規(guī)檢測(cè)手段 運(yùn)用方規(guī)、直尺、百分表、千分表等進(jìn)行精度檢測(cè)，他們只適合進(jìn)行單一精度指標(biāo)的分散測(cè)量，且檢測(cè)精度不夠高。

（2）數(shù)控系統(tǒng)伺服硬件、檢測(cè)軟件的檢測(cè)手段運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)自身的伺服硬件加檢測(cè)軟件進(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)精度高且可對(duì)二軸插補(bǔ)軌跡進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果反映了伺服精度，但它不能對(duì)機(jī)械精度進(jìn)行檢測(cè)。

（3）球桿儀、激光干涉儀檢測(cè)手段 運(yùn)用球桿儀、激光干涉儀進(jìn)行精度檢測(cè)，精確度高，且可對(duì)二軸插補(bǔ)軌跡進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果反映了伺服、機(jī)械的總體精度。能夠?qū)λ欧取C(jī)械精度綜合進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果的精度指標(biāo)表述直觀、定位正確，是目前比較理想的檢測(cè)手段。

2 球桿儀的工作原理

球桿儀及檢測(cè)軟件用于測(cè)量數(shù)控機(jī)床所表現(xiàn)出的幾何誤差，同時(shí)也檢測(cè)由控制器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的精度。

執(zhí)行球桿儀測(cè)試是通過讓機(jī)床進(jìn)行一段圓弧或整個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)來測(cè)得加工誤差，它通過一傳感器測(cè)得上述運(yùn)動(dòng)中半徑的微小偏移量，由軟件將其采集下來，然后將合成的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上或繪制在打印機(jī)或繪圖機(jī)上，從而揭示出機(jī)器執(zhí)行該項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果表現(xiàn)。

如果該數(shù)控機(jī)床沒有任何誤差，則結(jié)果是繪制出一個(gè)真圓形狀，而出現(xiàn)任何誤差都將使該圓變形。例如，沿圓周添加峰值可能使其呈現(xiàn)橢圓形狀。從真圓偏離出的數(shù)據(jù)揭示出數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)伺服及機(jī)器各軸的問題。

3 對(duì)球桿儀檢測(cè)結(jié)果中各主要精度指標(biāo)的分析以及針對(duì)性調(diào)整措施

（1）反向間隙指標(biāo)呈現(xiàn)負(fù)值

反向間隙呈現(xiàn)負(fù)值對(duì)應(yīng)的軌跡形狀見圖1，圖形中有沿某軸線開始向圖形中心內(nèi)凹的臺(tái)階，研究實(shí)踐證明負(fù)值反向間隙的大小數(shù)值通常不受機(jī)床進(jìn)給率的影響。在圖1中僅在 軸上顯示有負(fù)值反向間隙，正負(fù)方向均存在相同大小，為－14.2 μm的負(fù)值反向間隙或失動(dòng)量。

出現(xiàn)反向間隙呈現(xiàn)負(fù)值的可能原因：①機(jī)床的導(dǎo)軌中可能存在間隙，導(dǎo)致機(jī)床在被驅(qū)動(dòng)換向時(shí)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的跳躍；②用于彌補(bǔ)原有反向間隙而對(duì)機(jī)床進(jìn)行的反向間隙補(bǔ)償?shù)臄?shù)值過大，導(dǎo)致原來具有正值的反向間隙問題轉(zhuǎn)變成負(fù)值反向間隙；③機(jī)床可能受到編碼器滯后現(xiàn)象的影響。

機(jī)床反向間隙呈現(xiàn)負(fù)值對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響為：圓弧插補(bǔ)的刀具軌跡將出現(xiàn)一向內(nèi)凹的跳躍，加工的零件會(huì)產(chǎn)生過切現(xiàn)象。

調(diào)整措施：①檢查數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置是否正確；②檢查機(jī)床是否受到編碼器滯后現(xiàn)象的影響；③去除機(jī)床導(dǎo)軌的間隙，必要時(shí)更換已磨損的機(jī)床部件。

（2）反向間隙指標(biāo)呈現(xiàn)正值

反向間隙呈現(xiàn)正值對(duì)應(yīng)的軌跡形狀見圖2，圖形中沿某軸線開始有一個(gè)沿圖形中心外凸的臺(tái)階或數(shù)個(gè)臺(tái)階，研究實(shí)踐證明正值反向間隙的大小數(shù)值通常不受機(jī)床進(jìn)給率的影響。在本圖中僅在 軸上顯示有正值反向間隙。正負(fù)方向均存在相同大小，為14.2 μm的正值反向間隙或失動(dòng)量。

出現(xiàn)反向間隙呈現(xiàn)正值的可能原因：①機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可能存在間隙，典型的原因是滾珠絲杠端部浮動(dòng)或驅(qū)動(dòng)螺母磨損；②機(jī)床的導(dǎo)軌可能存在間隙，導(dǎo)致當(dāng)機(jī)床在被驅(qū)動(dòng)換向時(shí)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的停頓；③可能由于滾珠絲杠預(yù)緊力過大帶來的過度應(yīng)力而引起絲杠扭轉(zhuǎn)的影響。進(jìn)一步信息參見反向間隙呈現(xiàn)不等值。

機(jī)床反向間隙呈現(xiàn)正值對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響為：圓弧插補(bǔ)的刀具軌跡將出現(xiàn)一短平臺(tái)，即在加工零件上多出一個(gè)如圖3的平臺(tái)。

調(diào)整措施：①去除機(jī)床導(dǎo)軌的間隙，必要時(shí)更換已磨損的機(jī)床部件；②此外也可利用數(shù)控系統(tǒng)反向間隙補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置對(duì)機(jī)床中存在的反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）反向間隙指標(biāo)呈現(xiàn)不等值

反向間隙呈現(xiàn)雙向不等值但符號(hào)相同的反向間隙軌跡形狀見圖4，在具備反向間隙補(bǔ)償功能的機(jī)床的某軸上雙向甚至出現(xiàn)相反符號(hào)的反向間隙，見圖5。在圖4、5中僅在 軸上顯示有不等值反向間隙。

出現(xiàn)反向間隙呈現(xiàn)不等值的可能原因：由于滾珠絲杠中過大扭曲而引起反向間隙的影響，它相對(duì)該軸滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)端的不同位置而引起不等值反向間隙類型的圖形?？梢栽诰哂蟹聪蜷g隙補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床上將該差異調(diào)整均化，使該軸出現(xiàn)相對(duì)臺(tái)階。該扭曲可能由于絲杠磨損、螺母損壞及導(dǎo)軌磨損，這種類型的反向間隙若出現(xiàn)在立軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試中，多半是由平衡不好導(dǎo)致。

機(jī)床反向間隙呈現(xiàn)不等值對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響為：在軸的不同部位，機(jī)床加工零件的誤差幅度不同。

調(diào)整措施：①去除施加給機(jī)床的所有反向間隙補(bǔ)償值，這將使機(jī)床的問題徹底暴露出來；②檢查該機(jī)床的滾珠絲杠或?qū)к壍哪p跡象，必要時(shí)維修或更新這些部件；③如果在機(jī)床立軸上下運(yùn)動(dòng)的測(cè)試中出現(xiàn)不等值反向間隙圖，那么平衡部件就可能是問題所在，從而需調(diào)整機(jī)床平衡系統(tǒng)。

（4）橫向間隙指標(biāo)呈現(xiàn)等值

橫向間隙呈現(xiàn)等值軌跡形狀見圖6，圖形具有對(duì)稱的桃/石頭形。橫向間隙不受機(jī)床進(jìn)給率的影響，但是受方向的影響。如果同時(shí)將順時(shí)針和逆時(shí)針測(cè)試結(jié)果顯示出來，那么一個(gè)圖形將出現(xiàn)在另一圖形內(nèi)。根據(jù)橫向間隙具有正值還是負(fù)值決定了哪一曲線出現(xiàn)在另一曲線之中。圖6所示在Y軸具有等值的正值橫向間隙從而導(dǎo)致順時(shí)針曲線出現(xiàn)在逆時(shí)針曲線之中。

出現(xiàn)橫向間隙（松動(dòng)）呈現(xiàn)等值的可能原因：①橫向間隙的主要起因在于機(jī)床導(dǎo)軌中存在間隙或松動(dòng)，它將在機(jī)床軸作換向運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)垂直于導(dǎo)軌方向的運(yùn)動(dòng)。它可與反向間隙作比較，反向間隙也是由于機(jī)器中的間隙引起，但它出現(xiàn)在與軸運(yùn)動(dòng)同一方向上。如球桿儀圓形測(cè)試中可見，反向間隙為徑向誤差，而橫向作用為切向誤差；②在某些情況下，當(dāng)診斷軟件診斷出橫向間隙為機(jī)床誤差時(shí)，而它實(shí)際上卻可能是因?yàn)榘霃阶兓蚱米兓鸬臏y(cè)試誤差。

機(jī)床出現(xiàn)橫向間隙（松動(dòng)）呈現(xiàn)等值對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響為：①機(jī)床將插補(bǔ)切削出不圓的孔；②機(jī)床在受橫向間隙影響的軸上一般表現(xiàn)出定位誤差。

調(diào)整措施：①檢查診斷出的橫向間隙誤差是由偏置變化還是由測(cè)試誤差引起。檢查半徑變化和偏置變化的情況是否對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來影響，如果有影響則應(yīng)重新進(jìn)行測(cè)試來鑒別問題之所在；②如果診斷不是由于半徑變化和偏置變化而引起的測(cè)試誤差，那么就應(yīng)調(diào)整或更新機(jī)床導(dǎo)軌以消除任何存在的間隙或松動(dòng)。

（5）橫向間隙指標(biāo)呈現(xiàn)不等值

橫向間隙呈現(xiàn)不等值軌跡形狀見圖7，依照“橫向間隙指標(biāo)呈現(xiàn)等值”相應(yīng)處理。

（6）反向躍沖指標(biāo)（略）

（7）伺服不匹配指標(biāo)（略）

4 應(yīng)用球桿儀進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)、精度調(diào)整實(shí)例

數(shù)控機(jī)床精度未調(diào)整前的各項(xiàng)精度指標(biāo)、實(shí)際軌跡同指令軌跡形狀見圖8，圓度指標(biāo)為36.7 m，影響圓度指標(biāo)精度不高的主要原因是：Y軸和X軸分別出現(xiàn)了占整個(gè)誤差27%和24%的正值反向間隙誤差。由于誤差的主次原因在圖8中表明清楚，可運(yùn)用本文前面介紹的調(diào)整措施，由主到次地進(jìn)行調(diào)整從而得到圖9、10結(jié)果，調(diào)整后圓度指標(biāo)提高到11 m，圖9中X 軸反向間隙已從 24.4、26.0 m 下降為 1.7、－ 0.7 m，Y 軸反向間隙已從29.7、27.9 m 下降為0.2、0.3 m。從圖10可知反向間隙誤差已經(jīng)微乎其微，按百分比排隊(duì)在圖10中已經(jīng)排在最后顯示不出來了。數(shù)控機(jī)床精度調(diào)整后的各項(xiàng)精度指標(biāo)、實(shí)際軌跡同指令軌跡見圖9。

顯然，經(jīng)過初步調(diào)整，圖10的綜合精度指標(biāo)比圖8的綜合精度指標(biāo)大大提高，圓度值從36.7 m降為11.0 m，實(shí)際軌跡同指令軌跡更趨于重合。

5 結(jié)語

（1）運(yùn)用先進(jìn)的檢測(cè)手段進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)是提高數(shù)控機(jī)床精度的必要條件。

（2）數(shù)控機(jī)床的精度由數(shù)控系統(tǒng)精度和機(jī)械本體精度組成，數(shù)控機(jī)床的精度提高要通過伺服的控制優(yōu)化和機(jī)械本體的調(diào)整協(xié)調(diào)完成。

（3）球桿儀可對(duì)二軸插補(bǔ)軌跡進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果反映了伺服、機(jī)械的總體精度。能夠?qū)λ欧取C(jī)械精度綜合進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果的精度指標(biāo)表述直觀、可按百分比排序定位誤差，定位準(zhǔn)確，提出的調(diào)整措施具體，目前是比較理想的檢測(cè)手段。

（4）本文中分析的各精度指標(biāo)進(jìn)行了大量的數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)、調(diào)整驗(yàn)證，為數(shù)控機(jī)床的精度提高調(diào)整操作提供了經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的可操作的指南。

［1］丁向陽(yáng)，等.機(jī)械加工常見異常現(xiàn)象分析及解決方法.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］賈敏忠.機(jī)床幾何誤差和運(yùn)動(dòng)誤差及其誤差補(bǔ)償技術(shù).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（2）.

［3］朱仕學(xué).前饋控制對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度影響的研究.制造業(yè)自動(dòng)化，2009（8）.

作者：朱仕學(xué)，男，1954年生，副教授，數(shù)控專業(yè)帶頭人，研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)應(yīng)用、數(shù)控機(jī)床維修，主要從事教學(xué)、科研工作，完成數(shù)控機(jī)床改造項(xiàng)目多項(xiàng)。

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Application Research of CNC Precision Detection and Improvement

ZHU Shixue
（Shenzhen Polytechnic，Shenzhen 518055，CHN）

s：The author implement detection to machine interpolation trail of two axises，the result shows the total precision of servo and machine.It is providing the verifiable guide of raising precision to numerical control machine to analyzing and adjusting to precision indexs.

NC Machine；Machining Precision；Detection

TG659

* 深圳市南山區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（KJ02S0210900000155）

（編輯 李 靜） （

2010－03－25）

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