數控機床絲杠螺距誤差測量及系統(tǒng)補償

雷楠南

(三門峽職業(yè)技術學院 機電工程學院,河南 三門峽 472000)

數控機床絲杠螺距誤差測量及系統(tǒng)補償

雷楠南

(三門峽職業(yè)技術學院 機電工程學院,河南 三門峽 472000)

基于雷尼紹XL-80激光干涉儀測量數控機床X坐標軸的螺距誤差，通過激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝和光路調整、測量程序編制及機床實際測量，對獲得的誤差數據進行分析得到了誤差曲線圖.同時，以FANUC0i-D數控系統(tǒng)為例，介紹了螺距誤差補償相關系統(tǒng)參數設置方法，將獲得的誤差補償數據進行系統(tǒng)補償后再次測量了螺距誤差，測量結果證明機床精度有效提高.

激光干涉儀；螺距誤差；FANUC；數控系統(tǒng)；誤差補償

0 引言

數控機床加工精度由刀具與工件之間的相對位置決定. 在影響加工精度的眾多因素中，機床的動態(tài)誤差是主要因素[1]20.為了提高機床的精度，在盡可能提高機床機械部件制造、裝配精度的前提下，通常采用軟件補償方式進一步提高精度.因此，利用軟件補償方法提高機床精度只是對機床精度的小范圍修正.對于數控機床而言，因為滾珠絲杠副本身的制造誤差及機床裝配過程中的安裝誤差，在數控機床調試過程中通常利用雷尼紹激光干涉儀來檢測其定位精度，并通過數據分析軟件對測試數據進行分析得到誤差補償數據，將誤差補償輸入數控系統(tǒng)對機床的運動精度進行修正.此外，數控機床在使用過程中，隨著使用年限的延長，絲杠的磨損必然導致機床精度的下降.在不需更換絲杠情況下提高精度，同樣可利用激光干涉儀對機床進行檢測得到誤差補償數據，利用數控系統(tǒng)通過軟件補償方法提高精度[2]90.本文講述如何利用激光干涉儀來檢測絲杠螺距誤差，并通過數控系統(tǒng)進行誤差補償來提高機床運動精度.

1 基于XL-80激光干涉儀測量絲杠螺距誤差

利用激光干涉儀測量數控機床絲杠螺距誤差時，除了激光頭之外，主要用到的是線性測量鏡組.線性測量鏡組包括1個分光鏡和2個線性反射鏡.此外，還要用到輔助裝置如三腳架、鏡組安裝組件(安裝桿、鏡組夾緊塊)等.在測量絲杠螺距之前，先要將激光干涉儀及測量鏡組進行正確安裝和激光調光.

1.1 激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝及調光

測量數控機床各坐標軸絲杠螺距誤差時，激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝方法如圖1所示.通常情況下，激光頭一經安裝調整好后，在變換測量其他坐標軸時只需調整線性鏡組的安裝位置即可.

激光干涉儀及線性鏡組安裝完成后，接通激光頭的電源，預熱6 min后，通過調整光路使反射光幾乎全部進入激光頭的入口，即可完成對光[3]80，[4]114.文中以MVC400數控加工中心X坐標軸絲杠螺距誤差測量為例，來說明激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝及調光，如圖2所示.調整光路時，首先，將反射鏡靠近分光鏡，調整光路，使激光頭能接收到反射光；其次，再移動X軸使反射鏡遠離分光鏡，在X軸行程末端的測量位置進行光路調整，使激光頭能接收到反射光；再次，移動X坐標軸，使反射鏡在測量行程內移動. 只有激光頭在整個測量行程內都能接收到反射鏡的反射光，光路的調整才算成功[5]59.

圖1 線性測量各軸時激光干涉儀及線性鏡組的正確安裝

圖2 分光鏡與反射鏡在近端及遠端進行對光

1.2 絲杠螺距誤差的測量程序編制

RENISHAW激光干涉儀在線性測量時，可以利用軟件根據設定的起點、終點和間隔距離，自動生成測量程序.也可以在MDI方式下手動編寫程序進行測試，通過手工編制X坐標軸的線性測量程序如下：

%O2345

(RENISHAW LINEAR COMPENSATION)

N0030 G01 G98 G90 G54 G40

#1=0

#2=5

N0070 (LOOP START)

X001.000

G04 X1.

X000.000

G04 X4.

X-040.000

G04 X4.

X-080.000

G04 X4.

......

X-720.000

G04 X4.

X-721.000

G04 X1.

X-720.000

G04 X4.

X-680.000

G04 X4.

X-640.000

G04 X4.

......

X-080.000

G04 X4.

X-040.000

G04 X4.

X000.000

G04 X4.

#1=#1+1

IF [#1 NE #2] GO 70

M30

%

1.3 數據采集及分析

數據采集時，需在測量軟件中設置與編程匹配的數據，如設置X坐標軸行程720 mm，補償間隔為40 mm，補償起點為0.000 0 mm，補償終點為-720.000 0 mm,反向間隙為0.000 mm.選擇雙向測量X坐標軸1次，對測量的數據進行分析得到誤差曲線圖如圖3所示.

圖3 誤差曲線圖

因為FANUC0i系列數控系統(tǒng)螺距誤差補償為增量補償，所以在利用雷尼紹數據分析軟件進行誤差數據分析時，應設置為增量補償方式[6]38.利用軟件進行誤差數據分析后獲得的誤差補償數據表如表1所示.

表1 誤差補償數據表

2 FANUC0i-D數控系統(tǒng)絲杠螺距誤差補償

2.1 FANUC0i-D系統(tǒng)螺距誤差補償參數設置

對于FANUC0i-D系統(tǒng)而言，通常需要設置的相關參數有3620、3621、3622、3623、3624等[7]37.在工程實際中，通常先設置坐標軸負向最遠端補償點號3621，因X軸為第1坐標軸，習慣性設置為0；然后設置正方向最遠端的補償點號3622，設置值為坐標軸的運動行程長度除以補償間隔再加1.補償點號3620參數設置值必須介于補償點號3621與補償點號3622參數之間.由于MVC400數控銑床X坐標軸行程長度為720 mm，補償間隔取40 mm，所以可設置3624號參數為40，按表2中計算方法可知3622號參數設定值為20. 補償點號3623參數為誤差補償倍率，設置時應根據誤差補償值而定. 螺距誤差補償系統(tǒng)參數設置值及含義見表2所示[8]125.

表2 螺距誤差補償參數及設置

圖4 補償之后的誤差曲線圖

2.2 誤差補償及數據分析

設置好螺距誤差補償相關系統(tǒng)參數后，將表1中的誤差補償數據輸入到數控系統(tǒng)中，重新進行誤差測量并分析誤差數據得到誤差曲線圖，如圖4所示.觀察補償之后的誤差曲線圖可知，在X坐標軸從0移動至-720 mm行程上，誤差值在-0.002 mm至-0.012 mm之間變化，誤差最大值為-0.012 mm.而誤差補償之前的誤差曲線圖3中，誤差值在0至-0.045 mm之間變化，且誤差值呈逐漸增大的趨勢，逐漸積累增大至-0.045 mm.對比誤差曲線圖3、4可知，通過絲杠螺距誤差補償，數控機床精度得到較好的提升.

3 結語

雷尼紹激光干涉儀由于操作簡便、測量數據精確可靠，在數控機床制造、維修行業(yè)得到廣泛應用[9]135. 雷尼紹激光干涉儀可以快速、準確地測量數控機床線性誤差數據，并通過數據分析軟件進行數據分析得到如誤差曲線圖、誤差補償數據表等.配置FANUC數控系統(tǒng)的數控機床，只要設置好螺距誤差補償相關系統(tǒng)參數，將誤差補償數據輸入數控系統(tǒng)，便可完成螺距誤差補償，提高機床定位精度.但是，通過數控系統(tǒng)螺距誤差補償來提高機床精度的前提是誤差值必須在系統(tǒng)能夠補償的范圍之內.

[1] 殷鵬飛，楊 林.GCMT2500復合式數控機床的精度檢測與誤差補償[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2016(10).

[2] 王 堃,孫程成,錢 鋒,等.基于激光干涉儀的數控機床定位精度檢測與誤差補償方法[J].航空制造技術, 2010(21).

[3] 范 浩，宮德波.激光干涉儀在機床精度檢測中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2014(23).

[4] 張建輝.激光干涉儀在提高數控機床定位精度中的應用[J].機床與液壓，2011，39(04).

[5] 段偉飛.激光干涉儀在測量數控機床位置精度上的應用[J].科技創(chuàng)新與應用,2013(25).

[6] 陳 芳.數控機床螺距誤差測量與補償[J].機床與液壓，2009，37(09).

[7] 司衛(wèi)征,周倫彬,黃志斌,等.數控機床手動補償誤差的方法研究[J].中國測試,2010,36(01).

[8] 黃文廣,邵澤強,韓亞蘭.FANUC數控系統(tǒng)連接與調試[M].北京：高等教育出版社,2011.

[9] 程 志,張 翔.激光干涉儀在數控機床維修中的應用研究[J].航空制造技術,2014,445(z1).

MeasurementofScrewPitchErrorandSystemCompensationforCNCMachineTool

LEI Nannan

(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,SanmenxiaPolytechnic,Sanmenxia472000,China)

In this paper, the X axis pitch error of CNC machine tool has been measured which based on XL-80 Renishaw laser interferometer.Through the correct installation of the laser interferometer and linear mirror group, optical path adjustment, the measurement program design and actual measurement of machine tool, the error curve has been obtained by analyzing the obtained error data. At the same time, taking FANUC0i-D CNC system as an example, the paper introduces the pitch error compensation related system parameter setting metho d, andthe pitch error of the shaft is measured again after the obtained error compensation data have been compensated for NC system. The measurement results show that the accuracy of the machine tool is improved effectively.

laser Interferometer; pitch Error; FANUC; numerical control system; error compensation

TG659

A

1671-8127(2017)06-0089-04

2017-08-29

2015年度河南省高等學校重點科研計劃項目“雙立柱數控鏜削鏟斗銷孔專用機床關鍵部件優(yōu)化設計”(15B460009)

雷楠南(1983- ),男,河南靈寶人,三門峽職業(yè)技術學院講師,碩士,主要從事數控技術和機械設計制造研究。

[責任編輯梧桐雨]