用激光干涉儀恢復(fù)數(shù)控機(jī)床的定位精度

陳彥君 馬喜權(quán) 耿海洋

(中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山 063035)

隨著我國(guó)制造行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)控設(shè)備的定位精度要求越來越高，它直接影響工件的加工精度和質(zhì)量，它也是評(píng)價(jià)設(shè)備精度性能的重要指標(biāo)，也是設(shè)備驗(yàn)收的重要內(nèi)容。利用激光干涉儀自動(dòng)測(cè)量各驅(qū)動(dòng)軸的位置誤差，利用數(shù)控系統(tǒng)的螺距補(bǔ)償功能進(jìn)行調(diào)整，可大大提高設(shè)備的定位精度，降低設(shè)備維修成本，提高設(shè)備的使用壽命。

筆者公司有1臺(tái)HOMMA公司生產(chǎn)的龍門加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 18i，已滿負(fù)荷運(yùn)行9年，只在設(shè)備驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行過定位精度檢測(cè)、補(bǔ)償。由于長(zhǎng)期使用，部件磨損嚴(yán)重，為此采用雷尼紹公司生產(chǎn)的XL80型激光干涉儀，自動(dòng)測(cè)量各驅(qū)動(dòng)軸的定位精度，根據(jù)定位精度誤差，確定人工補(bǔ)償?shù)姆桨?，恢?fù)機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度，此方法安全、可靠，更適合使用多年、定位誤差較大的設(shè)備。

1 測(cè)量前數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置

以HOMMA公司龍門加工中心的驅(qū)動(dòng)軸Y軸為例介紹測(cè)量、補(bǔ)償方法，Y軸行程為3 300 mm。

(1)更改 FANAC 18i系統(tǒng)設(shè)置:按下“OFS/SET”—“SETTING”—MDI方式。把畫面“參數(shù)寫入=“0”改為“1”。使系統(tǒng)具有可更改NC參數(shù)的權(quán)限。

(2)修改NC參數(shù):按下“SYSTEM”—“參數(shù)”找到參數(shù)“1851(G1工進(jìn)反向間隙)Y數(shù)值→ 0”，“1852(G0快速反向間隙)Y數(shù)值→0”，即把Y軸滾珠絲杠的反方向間隙設(shè)為零。檢查伺服參數(shù)“1800的#4號(hào)位數(shù)值=“0”表示切削進(jìn)給與快速進(jìn)給均使用“1851”的反向間隙設(shè)定值，#4號(hào)位數(shù)值=“1”表示機(jī)床快速進(jìn)給使用“1852”的反向間隙設(shè)定值。一般機(jī)床采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，反向間隙很小，參數(shù)1851=0，對(duì)于采用半閉環(huán)控制的系統(tǒng)，可通過參數(shù)“1851”的數(shù)值，補(bǔ)償反向間隙誤差，如果測(cè)量數(shù)據(jù)與目標(biāo)值誤差較大，而多次測(cè)量數(shù)據(jù)間差別不大，說明設(shè)備的重復(fù)定位精度很好，若絲杠的反向間隙較大，可先在參數(shù)1851中輸入反向間隙補(bǔ)償值，再進(jìn)行逐點(diǎn)程序補(bǔ)償。這樣可有效提高補(bǔ)償?shù)男Ч脱a(bǔ)償精度。HOMMA公司機(jī)床Y軸采用光柵尺測(cè)量位置數(shù)據(jù)，重復(fù)定位精度較好，參數(shù)可設(shè)為:1851=0。

(3)螺距補(bǔ)償寄存器數(shù)據(jù)清零:為避免測(cè)量時(shí)機(jī)床原始補(bǔ)償值仍生效，按“SYSTEM”—“間距”—“節(jié)距誤差設(shè)定界面”把程序中寄存器中所有Y軸補(bǔ)償值都設(shè)為零。

2 調(diào)整光柵尺

設(shè)備Y軸采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)一般采用光柵尺檢測(cè)裝置，將檢測(cè)到機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移反饋到CNC裝置的比較器中，與指令位置相比較，用其差值進(jìn)行控制。這類控制方式的位置控制精度很高。

此設(shè)備Y軸采用海德漢LB382光柵尺，光柵尺由光柵讀數(shù)頭(安裝在移動(dòng)滑枕)和標(biāo)尺光柵(安裝在橫梁)組成。標(biāo)尺上有周期性刻線(光柵)作為測(cè)量位移的基準(zhǔn)，標(biāo)尺又分為玻璃光柵和鋼帶光柵兩種。一般驅(qū)動(dòng)軸行程大于1 000 mm，采用鋼帶標(biāo)尺。為滿足機(jī)床的定位精度要求，下列情況必須首先對(duì)鋼帶標(biāo)尺總長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量、調(diào)整，使機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸在最大行程時(shí)定位誤差小于±0.1 mm，才能對(duì)行程各點(diǎn)的定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使其滿足精度要求。(1)鋼帶標(biāo)尺長(zhǎng)期使用，受環(huán)境、溫度、使用狀態(tài)等影響其總長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生微小變化。(2)長(zhǎng)期使用鋼帶標(biāo)尺表面有灰塵、污物，影響位置信號(hào)的讀取，需抽出鋼帶，清洗、安裝、調(diào)整鋼帶總長(zhǎng)度和精度。(3)光柵尺首次使用需調(diào)節(jié)鋼帶總長(zhǎng)度。

然后編制Y軸移動(dòng)程序，使Y軸從0～3 300 mm，此時(shí)用激光干涉儀測(cè)量Y軸的最大行程L，如果測(cè)量值大于L±0.1 mm。需調(diào)整標(biāo)尺長(zhǎng)度(圖1)。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)定尺緊固螺絲M3，使定尺處于可調(diào)整狀態(tài)。拆下標(biāo)尺端蓋，旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺端面M8的螺絲，放松或拉緊標(biāo)尺，可調(diào)整標(biāo)尺總長(zhǎng)度。重復(fù)以上測(cè)量、調(diào)整過程，直至激光測(cè)量最大行程誤差小于±0.1 mm，保證全行程精度。

3 編制測(cè)量程序

對(duì)于線性軸的檢測(cè)，一般有標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)和等階梯循環(huán)檢驗(yàn)兩種。標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)方式:在所有目標(biāo)位置按順序逐點(diǎn)檢測(cè)一個(gè)循環(huán)，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，所有目標(biāo)位置在正、反向循環(huán)3～5次。等階梯循環(huán)方式測(cè)量:在每個(gè)目標(biāo)位置，在正、反方向檢測(cè)3～5次，再進(jìn)入一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)。短行程一般采用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)方式，長(zhǎng)行程采用等階梯循環(huán)方式測(cè)量。某目標(biāo)位置，要進(jìn)行正方向6～10次數(shù)據(jù)采集，如果長(zhǎng)行程采用線性定位方式測(cè)量行程時(shí)，每?jī)纱螖?shù)據(jù)采集時(shí)間間隔較長(zhǎng)，測(cè)量數(shù)值容易受空氣折射率、環(huán)境的溫度、壓力和濕度影響很大，造成數(shù)值之間偏差很大，無法正確測(cè)量位置誤差。

實(shí)際應(yīng)用中行程小于3 500 mm一般采用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)方式。HOMMA機(jī)床Y軸行程3 300 mm，按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量循環(huán)方式，測(cè)量間隔300 mm，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集停留時(shí)間7 s，為消除反向間隙對(duì)測(cè)量精度的影響，在行程的起點(diǎn)“0“點(diǎn)和終點(diǎn)3 300 mm設(shè)計(jì)了3 mm的越程，停留時(shí)間2 s，此點(diǎn)的數(shù)據(jù)不采集。測(cè)量循環(huán)工作圖如圖2。

編制測(cè)量程序如下:

4 數(shù)據(jù)測(cè)量、補(bǔ)償方案制定

打開XL80測(cè)量軟件，軟件中數(shù)據(jù)的設(shè)置應(yīng)與測(cè)量程序相對(duì)應(yīng)。輸入起點(diǎn)“0”，終點(diǎn)“3300”，間距“300”自動(dòng)生成目標(biāo)數(shù)12個(gè)。定位方式:線性定位(標(biāo)準(zhǔn)循環(huán))。最小停止周期:即目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集需停止的時(shí)間5 s，絲杠使用多年有磨損，采集數(shù)據(jù)停留時(shí)間設(shè)的長(zhǎng)一些，此值應(yīng)小于數(shù)控程序O00049中設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集停留時(shí)間7 s。越程量:2 mm，比數(shù)控程序O00049中設(shè)置的越程量3 mm要小一點(diǎn)。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定誤差補(bǔ)償方案。

(1)自動(dòng)補(bǔ)償:XL80帶有自動(dòng)補(bǔ)嘗軟件，可對(duì)于常用的數(shù)控系統(tǒng)如西門子840D、802D，F(xiàn)ANAC 18i、16i、0i等實(shí)施自動(dòng)補(bǔ)償。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，XL80可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生補(bǔ)償值，把誤差值傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)完成定位誤差的補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式方便、快捷，對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)水平要求較低。

(2)手動(dòng)補(bǔ)償:根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，技術(shù)人員通過數(shù)據(jù)分析、確定補(bǔ)償值，并人工輸入到系統(tǒng)中。這種補(bǔ)償方式安全、可靠。首先，有些數(shù)控系統(tǒng)不屬于常用系統(tǒng)、有些設(shè)備老化，軟件傳輸接口有問題，無法用XL80自動(dòng)補(bǔ)嘗軟件對(duì)定位精度補(bǔ)償。其次，有些歐洲進(jìn)口設(shè)備，采用西門子840D系統(tǒng)，但使用XL80自動(dòng)補(bǔ)嘗軟件時(shí)，需更改NC參數(shù):MD38000參數(shù)，此參數(shù)更改后會(huì)引起NCK內(nèi)存重新分配，容易引起數(shù)據(jù)丟失。為保證數(shù)控系統(tǒng)的安全，廠家一般自己設(shè)計(jì)激光補(bǔ)償程序，這類設(shè)備只能采用手動(dòng)補(bǔ)償方式完成定位誤差補(bǔ)償。

(3)為提高補(bǔ)償精度，HOMMA Y軸采用補(bǔ)償間隔小于測(cè)量間隔的手動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆桨?。我們?cè)诿總€(gè)測(cè)量間隔，設(shè)置多個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)。Y軸行程=3 300 mm，測(cè)量間隔300 mm，補(bǔ)償起點(diǎn)a=0，補(bǔ)償終點(diǎn)b=3 300，補(bǔ)償間隔c=30。由于FANAC 18i采用增量補(bǔ)償，參考點(diǎn)的補(bǔ)償值為零，那么需要補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)數(shù)N=(b－a)/c=110個(gè)。

5 設(shè)定補(bǔ)償參數(shù)

應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的螺距補(bǔ)償功能，對(duì)定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，需首先設(shè)置NC補(bǔ)償參數(shù):

此參數(shù)值必須大于3620中的參數(shù)設(shè)定值

機(jī)床設(shè)置Y軸方向，從參考點(diǎn)至最大行程為正方向，那么無論測(cè)量方向與機(jī)床Y軸正向相同還是相反，參考點(diǎn)的補(bǔ)償值都放到補(bǔ)償寄存器的300序號(hào)中，行程3 300 mm處的補(bǔ)償值放入補(bǔ)償寄存器序號(hào)300+N(110)=410中。

當(dāng)機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)方向，從參考點(diǎn)至最大行程為負(fù)向時(shí)，如HOMMAX軸行程從0～8 400 mm為負(fù)向，補(bǔ)償點(diǎn)間隔設(shè)為80 mm，補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)n=105個(gè)，那么無論測(cè)量方向與機(jī)床X軸正向相同還是相反，X軸參考點(diǎn)處即零點(diǎn)處的補(bǔ)償值放入補(bǔ)償寄存器序號(hào)200號(hào)中，機(jī)床X=－8 400 mm位置的補(bǔ)償值放入補(bǔ)償寄存器序號(hào):200－n(105)=95號(hào)中。

6 設(shè)定補(bǔ)償值

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)算Y區(qū)間補(bǔ)償值(表1)。

表1 Y區(qū)間補(bǔ)償值

FANAC系統(tǒng)采用增量補(bǔ)償，激光測(cè)量每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(μm)均值A(chǔ)n，區(qū)間補(bǔ)償值(μm)Bn，那么Bn=An－1－An，即零點(diǎn)補(bǔ)償值B0=0，0 ～300 區(qū)間補(bǔ)償值B1=－3，Bn數(shù)值可近似取整數(shù)。

將以上補(bǔ)償值數(shù)據(jù)均勻分配到對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償序號(hào)中。打開機(jī)床至“節(jié)距誤差調(diào)定界面”，找到寄存器序號(hào)(表2)。

表2 Y軸寄存器對(duì)應(yīng)補(bǔ)償值表

序號(hào)0300對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)補(bǔ)償數(shù)=0，序號(hào)0301至0310的補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)行程0至300 mm，此區(qū)間總補(bǔ)償值為表1中B1=－3，將－3值均勻分配到序號(hào)為0301至0310的寄存器中，序號(hào)0311至0320的補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)行程300～600 mm，此區(qū)間總補(bǔ)償值為表1中B2=0.7，將0.7近似為1，此值均勻分配到序號(hào)0311至0320的寄存器中，序號(hào)0321至0330的補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)行程600～900 mm，此區(qū)間總補(bǔ)償值為表1中B3=－11.50，此值均勻分配到序號(hào)0321至0330的寄存器中，依此類推可把Y軸目標(biāo)點(diǎn)的補(bǔ)償值輸入到序號(hào)0300至0410寄存器中，機(jī)床斷電、重啟，定位誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)生效。

經(jīng)以上反復(fù)測(cè)量、補(bǔ)償，使軸的定位精度、重復(fù)定位精度滿足使用要求。設(shè)備在進(jìn)行定位精度檢測(cè)補(bǔ)償前，需完成設(shè)備各種功能的檢測(cè)、幾何精度(直線度、垂直度)的檢測(cè)，減小幾何精度對(duì)定位誤差的影響。測(cè)量室溫一般在在20±2℃，保持設(shè)備周圍無干擾震源、風(fēng)源，減小環(huán)境對(duì)定位精度測(cè)量的影響。

用以上方法可有效減小老機(jī)床定位誤差，甚至恢復(fù)老機(jī)床的定位精度、延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命。

［1］王素霞.FANUC CNC伺服調(diào)整培訓(xùn)教程［F］.北京:高等教育出版社，2011.

［2］雷尼紹.RENISHAW APPLY INNOVATION［Z］.2008.