影響數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的因素及處理方法*

張明紅，許鵬飛，趙彥斌，李剛利，楊 保

(寧夏共享精密加工有限公司，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

數(shù)控機(jī)床的定位精度是指機(jī)場(chǎng)各坐標(biāo)軸在數(shù)控裝置的控制下運(yùn)動(dòng)部件所能達(dá)到目標(biāo)位置的準(zhǔn)確度。重復(fù)定位精度指在數(shù)控機(jī)床上反復(fù)運(yùn)行同一程序代碼所得到的位置精度的一致度。數(shù)控機(jī)床的加工精度最終靠機(jī)床本身的精度來保證，隨著使用年限的增長(zhǎng)，數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度將出現(xiàn)不可避免的下降。我公司擁有多臺(tái)西門子數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)立車、鏜銑床、龍門銑通過實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，總結(jié)出影響數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度因素和處理方法，并使用雷尼紹激光干涉儀進(jìn)行誤差補(bǔ)償，恢復(fù)機(jī)床精度。

1 影響數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的因素及處理方法

1.1 傳動(dòng)元件系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸在傳動(dòng)部件隨著使用年限增長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生磨損變形及松動(dòng)，如伺服電機(jī)和減速箱輸入軸之間的聯(lián)軸器磨損松動(dòng)，各級(jí)傳動(dòng)軸軸承損壞，長(zhǎng)期使用的傳送帶老化，滾珠絲杠磨損致螺距超差等。傳動(dòng)元件的磨損會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)軸定位精度和重復(fù)定位精度超差。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)原因?qū)е露ㄎ痪群椭貜?fù)定位精度超差一般出現(xiàn)的問題進(jìn)行調(diào)整方法處理，常見的問題及處理措施具體見表1所示。

1.2 機(jī)床導(dǎo)軌

機(jī)床導(dǎo)軌對(duì)機(jī)床起導(dǎo)向及支撐作用，它的直線度和平面度超差同樣影響數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。導(dǎo)軌鑲條松動(dòng)等都會(huì)造成數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度超差。一般處理導(dǎo)軌方面的問題使用調(diào)整修復(fù)的方法，常見問題及處理措施具體如表2所示。

表1 常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)問題及處理措施

表2 常見機(jī)床導(dǎo)軌常見問題及處理方法

1.3 環(huán)境溫度

數(shù)控機(jī)床元件大多為金屬，在環(huán)境溫度的變化下，金屬會(huì)發(fā)生熱變形。溫度變化一般為外部而溫度變化和內(nèi)部溫度變化。外部主要是車間晝夜溫差和季度變化造成的溫差。內(nèi)部溫度主要是數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑油循環(huán)利用。數(shù)控機(jī)床潤(rùn)滑油和靜壓油在循環(huán)利用中通常油溫會(huì)高達(dá)40 ℃以上，會(huì)對(duì)傳動(dòng)元件造成熱膨脹效果。

處理方法：通過在機(jī)床油箱出油口處在機(jī)床油箱出油口處安裝一油冷機(jī)(可手動(dòng)設(shè)置油溫，油溫保持在設(shè)定值)，將油溫冷卻后輸送到機(jī)床使用，很有效降低機(jī)床自身產(chǎn)生的溫度，也穩(wěn)定機(jī)床因溫度變化而影響機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度。數(shù)控機(jī)床加工大型精密工件，需要穩(wěn)定的環(huán)境溫度，則需要保持室內(nèi)溫度不變就需要將車間改造成恒溫車間。目前很多精密加工車間都采用恒溫恒濕車間，這樣徹底避免環(huán)境溫度變化對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度在成影響。

1.4 反饋元件

數(shù)控機(jī)床一般有兩種反饋方式，一種為半閉環(huán)，一種為全閉環(huán)。半閉環(huán)反饋方式只有電機(jī)編碼器進(jìn)行反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋至NC系統(tǒng)，全閉環(huán)反饋方式為電機(jī)編碼器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，光柵尺反饋?zhàn)鴺?biāo)形式的位置。通常反饋元件故障會(huì)導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)定位精度和重復(fù)定位精度超差，下表總結(jié)了影響機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的反饋元件常見因素及處理方法。常見的反饋元件故障及處理措施具體如表3所列。

表3 反饋元件常見問題及處理方法

2 激光干涉儀線性檢測(cè)原理和補(bǔ)償方法

數(shù)控機(jī)床精度超差是由硬件故障引起的，通過調(diào)整修復(fù)硬件不能徹底解決數(shù)控精度超差問題。數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)有誤差補(bǔ)償功能，使用雷尼紹干涉儀采集數(shù)控機(jī)床定位精度，再利用數(shù)控系統(tǒng)的可編程性和智能性對(duì)機(jī)床誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到提高機(jī)床精度的效果。

2.1 激光干涉儀誤差檢測(cè)原理

要對(duì)線性測(cè)量進(jìn)行設(shè)定，使用隨附的兩個(gè)外加螺絲將其中的一個(gè)線性反射鏡安裝在分光鏡上。這個(gè)組合裝置稱為“線性干涉鏡”，它形成激光光束的參考光路。線性干涉鏡放置在XL激光頭和線性反射鏡之間的光路上。分光鏡機(jī)架上標(biāo)有兩個(gè)箭頭，指示其方向，箭頭應(yīng)指向兩個(gè)反射鏡，如圖1所示。

圖1 線性測(cè)量的光學(xué)設(shè)定

來自XL激光頭的光束進(jìn)入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束。一束光(稱為參考光束)被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光(測(cè)量光束)則穿過分光鏡到達(dá)第二個(gè)反射鏡。然后，兩束光都被反射回分光鏡，在此它們重新組合并被導(dǎo)回到激光頭，激光頭內(nèi)的探測(cè)器監(jiān)測(cè)兩束光之間的干涉。

在線性測(cè)量過程中，一個(gè)光學(xué)組件保持靜止不動(dòng)，另一個(gè)光學(xué)組件沿線性軸移動(dòng)。通過監(jiān)測(cè)測(cè)量光束和參考光束之間的光路差異的變化，產(chǎn)生定位精度測(cè)量值(注意，它是兩個(gè)光學(xué)組件之間的差異測(cè)量值，與XL激光頭的位置無關(guān))。此測(cè)量值可以與被測(cè)機(jī)器定位系統(tǒng)上的讀數(shù)比較，獲得機(jī)器的精度誤差。通常，將反射鏡設(shè)定為移動(dòng)光學(xué)部件，將干涉鏡設(shè)定為靜止部件，如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理

2.2 定位精度補(bǔ)償方法

定位精度補(bǔ)償也叫螺距補(bǔ)償,使用激光干涉儀采集數(shù)控機(jī)床定位精度，再利用數(shù)控系統(tǒng)可編程性對(duì)數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行補(bǔ)償。在補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候在機(jī)床運(yùn)行導(dǎo)軌上區(qū)若干個(gè)等距離點(diǎn)(取的點(diǎn)越多，補(bǔ)償精度越高)。通過激光干涉儀采集機(jī)床實(shí)際定位位置，與設(shè)定定位位置進(jìn)行比較，得出偏差距離并將其寫入補(bǔ)償文檔中，機(jī)床回零后下次運(yùn)行時(shí)會(huì)將補(bǔ)償文檔數(shù)據(jù)計(jì)算在內(nèi)，從而達(dá)到精度要求。補(bǔ)償方法有兩種，具體補(bǔ)償方法如下：

螺距補(bǔ)償和垂直補(bǔ)償區(qū)別在于螺距補(bǔ)償誤差在于按進(jìn)行補(bǔ)償，于其有關(guān)的軸參數(shù)有兩個(gè)：①M(fèi)D38000最大補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。②MD32700螺距誤差使能：0禁止，可以寫補(bǔ)償值；1使能，補(bǔ)償文件寫保護(hù)，并且螺距誤差補(bǔ)償在該軸返回參考點(diǎn)后才生效。

2.2.1 螺距補(bǔ)償方法1

系統(tǒng)自動(dòng)生成補(bǔ)償文件，將補(bǔ)償文件傳入計(jì)算機(jī)，在PC機(jī)上編輯并輸入補(bǔ)償值，將補(bǔ)償文件再傳入系統(tǒng)。

(1) 修改MD38000,確定補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)K，由于該參數(shù)系統(tǒng)初始值為0,所以應(yīng)根據(jù)需要先設(shè)該參數(shù)。但要注意修改MD38000會(huì)引起NCK內(nèi)存的重新分配,導(dǎo)致機(jī)床數(shù)據(jù)丟失,因此要提前做好數(shù)據(jù)備份。(零件程序、R參數(shù)、刀具參數(shù)、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù))。

(2) 利用準(zhǔn)備好的調(diào)試電纜將計(jì)算機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)連接起來。在PC機(jī)中啟動(dòng)WinPCIN軟件,選擇“文本”通訊方式,然后選擇接收數(shù)據(jù)。進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)的通訊畫面,設(shè)定相應(yīng)的通訊參數(shù),并選擇其中的“絲杠誤差補(bǔ)償”,將誤差補(bǔ)償文件輸出。

(3) 用激光干涉儀采集每一點(diǎn)的誤差，編輯到PC機(jī)的補(bǔ)償文件中,并保存。將編輯好的補(bǔ)償文件再通過WinPCIN軟件傳回?cái)?shù)控系統(tǒng)中。

(4) 設(shè)定軸參數(shù)MD32700=1,NCKReset,，然后返回參考點(diǎn),補(bǔ)償值生效。

2.2.2 螺距補(bǔ)償方法2

系統(tǒng)自動(dòng)生成補(bǔ)償文件，將補(bǔ)償文件格式改為加工程序，通過OP單元將補(bǔ)償值輸進(jìn)該程序，運(yùn)行該零件程序既可將補(bǔ)償值寫入系統(tǒng)，以后補(bǔ)償可直接在此補(bǔ)償文件中補(bǔ)償，不需要傳到PC。

(1) 同方法一，將補(bǔ)償文件由840D系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，編輯補(bǔ)償文件,修改文件頭和文件尾,如將文件頭修改為“%_N_BUCHANG_MPF;＄PATH=/_N_MPF_DIR”,文件尾必須修改為M02。這樣補(bǔ)償文件修改為加工程序格式。

(2) 將修改過的文件通過WinPCIN軟件傳回

840D系統(tǒng)中。這時(shí)在加工程序的目錄中可以看到名為“BUCHANG”的加工程序。

(3) 通過數(shù)控系統(tǒng)的OP單元,將用激光干涉儀測(cè)試每一點(diǎn)的誤差值編輯在加工程序“BUCHANG”中。按軟菜單鍵“執(zhí)行”選擇加工程序“BUCHANG”。840D系統(tǒng)進(jìn)入“自動(dòng)方式”,然后按機(jī)床面板上的“NC啟動(dòng)”鍵,執(zhí)行加工程序“BUCHANG”后,補(bǔ)償值存入840D系統(tǒng)中。

(4) 設(shè)定軸參數(shù)MD32700=1,NCKReset，然后返回參考點(diǎn)，補(bǔ)償值生效。

最后重新使用激光干涉儀檢查驗(yàn)證各軸定位精度和重復(fù)定位精度。

3 結(jié) 語

綜上所述，造成數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的因素較多。數(shù)控機(jī)床硬件維護(hù)保養(yǎng)是否到位直接影響數(shù)控機(jī)床各軸定位精度和重復(fù)定位精度狀態(tài)。數(shù)控機(jī)床重點(diǎn)部位重點(diǎn)檢查重點(diǎn)維護(hù)，重點(diǎn)部位維護(hù)到位才是保證數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床機(jī)械誤差不能徹底消除，必須通過軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償，軟硬結(jié)合才能將數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度調(diào)整到最佳狀態(tài)。