數(shù)控機床位置精度的測試與補償
一、機床進給傳動裝置的結(jié)構(gòu)
在數(shù)控機床進給傳動裝置中,一般由電動機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),由滾珠絲杠螺母機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。
- 進給機構(gòu)的結(jié)構(gòu)滾珠絲杠螺母機構(gòu)的工作原理如圖1所示。在絲杠1和螺母2上各加工有圓弧形螺旋槽,將它們套裝起來形成螺母旋轉(zhuǎn)副時,在滾道內(nèi)裝滿滾珠3。當絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)時,絲杠的旋轉(zhuǎn)面通過滾珠推動螺母軸向移動,同時滾珠沿螺旋轉(zhuǎn)形滾道滾動,使絲杠和螺母之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾珠與絲杠、螺母之間的滾動摩擦。螺母螺旋槽的兩端用回珠管4連接起來,使?jié)L珠能夠1——絲杠 2——螺母3——滾珠 4——回珠管圖1滾珠絲杠螺母機構(gòu)從一端重新回到另一端,構(gòu)成一個閉合的循環(huán)回路。
- 進給傳動誤差由于滾珠絲杠副在加工和安裝過程中存在誤差,因此滾珠絲杠副將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動時存在以下兩種誤差。
(1)螺距誤差,即絲杠導(dǎo)程的實際值與理論值的偏差。例如,PⅡ滾珠絲杠的螺距公差為0.012/300mm。
(2)反向間隙,即絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時,絲杠和螺母之間的最大竄動。由于螺母結(jié)構(gòu)本身的游隙以及其受軸向載荷后的彈性變形,滾動絲杠螺母機構(gòu)存在軸向間隙。該軸向間隙在絲杠反向轉(zhuǎn)動時表現(xiàn)為絲杠轉(zhuǎn)動α角,而螺母未移動,形成了反向間隙。為了保證絲杠和螺母之間的靈活運動,必須有一定的反向間隙。但反向間隙過大將嚴重影響機床精度。因此,數(shù)控機床進給系統(tǒng)所使用的滾珠杠副必須有可靠的軸向間隙調(diào)節(jié)機構(gòu),具體的調(diào)整在此不再贅述。
- 電動機與絲杠的連接及傳動電動機與絲杠間常用的連接及傳動方式有以下三種。
(1) 直聯(lián),即用聯(lián)軸器將電動機軸和絲杠沿軸線連接起來,其傳動比為1∶1。該連接方式傳動時無間隙。
(2)同步帶傳動,即將同步帶輪固定在電動機軸和絲杠上,用同步帶傳遞扭矩。該傳動方式的傳動比由同步帶輪齒數(shù)比確定,傳動平穩(wěn),但有傳動間隙。
(3)齒輪傳動,電機通過齒輪或齒輪箱將扭矩傳到絲杠,傳動比可根據(jù)需要確定。該傳動方式傳遞的扭矩大,但有傳動間隙。同步帶傳動、齒輪傳動中的間隙是產(chǎn)生數(shù)控機床反向間隙差值的原因之一。
二、定位精度測量工具和測量方法
測量定位精度和重復(fù)定位精度的儀器有激光干涉儀、線紋尺和步距規(guī)等。其中,步距規(guī)因其在測量定位精度時操作簡單而在批量生產(chǎn)中被廣泛采用。無論采用哪種測量儀器,其在全行程上的測量點數(shù)不應(yīng)少于5點,測量間距按下式確定:Pi=iP+k其中,P為測量間距;k在各目標位置時取不同的值,以獲得全測量行程上各目標位置的不均勻間隔,從而保證周期誤差被充分采樣。這里采用步距規(guī)進行測量。步距規(guī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2步距規(guī)結(jié)構(gòu)圖尺寸P1,P2,…,Pi按100mm間距設(shè)計,加工后測量出P1,P2,…,Pi的實際尺寸作為定位精度檢測時的目標位置坐標(測量基準)。以ZJK7532A銑床X軸定位精度的測量為例。測量時,如圖3所示將步距規(guī)置于工作臺上,并將步距規(guī)軸與X軸軸線校平行,令X軸回零;將杠桿千分表固定在主軸箱上(不移動),表頭接觸在Po點,表針置零;用程序(限于篇幅,略)控制工作臺按標準循環(huán)圖(見圖4)移動,移動距離依次為P1,P2,…,Pi,表頭則依次接觸到P1,P2,…,Pi點,表盤在各點的讀數(shù)則為該位置的單向位置偏差。按標準循環(huán)圖測量5次,將各點讀數(shù)(單向位置偏差)記錄在記錄表中,按國家標準GB/T17421.—1999評定方法對數(shù)據(jù)進行處理,由此可確定該軸線的定位精度和重復(fù)定位精度。
三、軟件補償
- 螺距補償數(shù)控機床螺距補償?shù)幕驹硎?在機床坐標系中,在無補償?shù)臈l件下,在軸線測量行程內(nèi)將測量行程分為若干段,測量出各自目標位置Pi的平均位置偏差, 把平均位置偏差反向疊加到數(shù)控系統(tǒng)的插補指令上, 如圖5示。指令要求沿X軸運動到目標位置Pi,目標實際位置為Pij, 該點的平均位置偏差為。將該值輸入系統(tǒng),則CNC系統(tǒng)在計算時自動將目標位置Pi的平均位置偏差疊加到插補指令上,實際運動位置為,使誤差部分抵消,實現(xiàn)誤差的補償。數(shù)控系統(tǒng)可進行螺距誤差的單向和雙向補償。圖5 螺距補償原理
- 反向間隙補償反向間隙補償又稱為齒隙補償。機械傳動鏈在改變轉(zhuǎn)向時,反向間伺服電動機空轉(zhuǎn)而工作臺實際上不運動,稱為失動。反向間隙補償?shù)脑硎?在無補償?shù)臈l件下,在軸線測量行程內(nèi)將測量行程等分為若干段,測量出各目標位置Pi的平均反向差值,作為機床的補償參數(shù)輸入系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)在控制坐標反向運動時,自動先讓該坐標軸反向運動,然后按指令進行運動。如圖6所示,工作臺正向移動到O點,然后反向移動到Pi點。反向時,電動機(絲杠)先反向移動,后移動到Pi點。在該過程中,CNC系統(tǒng)實際指令運動值為。反向間隙補償在坐標軸處于任何方式時均有效。圖6反向間隙補償3.誤差補償?shù)倪m用范圍從數(shù)控機床進給傳動裝置的結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)的三種控制方法可知,誤差補償對半閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)具有顯著的效果,可明顯提高數(shù)控機床的定位精度和重復(fù)定位于精度。對于全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),由于其控制精度高,采用誤差補償?shù)男Ч伙@著,但也可進行誤差補償。
四、單向螺距補償
舉例1.實際測量測量對象為ZJK7532A數(shù)控鉆銑床的X軸,測量方法為“步距規(guī)測量法”,假定某步距規(guī)實際尺寸如表1所示。2.單向螺距補償(1)在首次測量前,開機進入數(shù)控系統(tǒng)(華中數(shù)控HNC-2000或HNC-21)依次按“參數(shù)F3”鍵、“輸入權(quán)限F3”鍵進入下一級子菜單,按“數(shù)控廠家參數(shù)F1”鍵,輸入數(shù)控廠家權(quán)限口令(初始口令為“NC”),回車;再按“參數(shù)索引F1”鍵、“軸補償參數(shù)F4”鍵;移動光標選擇“O軸”后,回車即進入系統(tǒng)X軸補償參數(shù)界面,如圖7所示。將系統(tǒng)的反向間隙、螺距補償參數(shù)全部設(shè)置為零后,按Esc鍵,界面出現(xiàn)對話框“是否保存修改參數(shù)?”,按Y鍵后保存修改后的參數(shù)。按F10鍵回到主界面,再按Alt+X鍵,退出系統(tǒng),進入DOS狀態(tài);按N鍵后回車進入系統(tǒng)。(2)編制步距規(guī)的測量程序,實現(xiàn)圖4所示測量循環(huán)。程序名為“OJX”。將步距規(guī)實際尺寸P1,P2,…Pi填入測量程序的變量中。(3)將步距規(guī)置于工作臺中間位置,注意步距規(guī)的方向(Po點朝向X軸負向,將步規(guī)用壓板輕輕地固定在工作臺上,并用百分表將距規(guī)軸X軸導(dǎo)向校平行,平行度允差為0.02mm)。(4)使工作臺沿X軸向回零,Y軸置于其行程中間位置;將杠桿千分表固定在主軸箱上(不移動),使其表頭接觸Po點,表針置零。(5)將波段開關(guān)置于“單段”,進給修置于“100%”,選擇檢測程序“OJX”,重復(fù)按“循環(huán)啟動”鍵。當程序執(zhí)行到“N05”行時,將表針再次置零,再將波段開關(guān)置于“自動”后,按“循環(huán)啟動”鍵開始測量(測量完成前不要調(diào)整杠桿千分表表針)。(6)在測量程序運行過程中,當工作臺運動到目標位置時,表頭接觸到步距規(guī)的測量面,測量程序要設(shè)置有暫停3s子程序段(G04X3),此時記下表針讀數(shù),填入表2中。例如,在第一次測量時,工作臺負向運動到P1點,表針讀數(shù)為“6”時,讀數(shù)“6”記錄在“P1,↑,X1”位置,如表2所示。(7)測量5個循環(huán),并將讀數(shù)記錄到“表2中。測量完成后停止運行,將表頭移開。3.數(shù)據(jù)處理按如前所述“定位精度和重復(fù)定位精度的確定(GB/T17421.2—1999國家標準評定方法”對數(shù)據(jù)進行處理,先計算出“平均位置偏差”、“反向差值Bi”和“平均反向差值”。4.誤差補償按如前所述操作步驟進入系統(tǒng)X軸補償參數(shù)表,如圖7所示。表1 步距規(guī)尺寸表位置PO P1 P2 P3 P4P5實際尺寸/mm0無100.10200.20300.10400.20500.05 表2測試記錄表(1)反向間隙補償將表2中計算所得的軸線平均反向差值寫入系統(tǒng)X軸補償參數(shù)表的“反向間隙(內(nèi)部脈沖當量)”后的數(shù)據(jù)欄(2)單向螺距補償將“螺距補償類型”、“補償點數(shù)”,“參數(shù)點偏差號”、“補償間隔”分別設(shè)為“1”、“6”、“5”和“100000”,將“記錄表”中“平均位置偏差”的值填入“X軸補償參數(shù)表”的“偏差值〔〕”內(nèi),即將值“1”填入“偏差值(內(nèi)部脈沖當量)〔5〕”,將值“3”填入“偏差值(內(nèi)部脈沖當量)〔4〕”,將值“5”填入“偏差值(內(nèi)部脈沖當量)〔3〕”,圖7系統(tǒng)軸補償參數(shù)界面及單向螺距補償后的數(shù)據(jù)設(shè)置部脈沖當量)〔0〕”。補償后的參數(shù)如圖7所示。補償參數(shù)輸入完成后,按Esc鍵,界面出現(xiàn)對話框“是否保存修改參數(shù)?”,按F10鍵回到主界面,再按Alt+X鍵,退出系統(tǒng),進入DOS狀態(tài)。按N鍵回車進入系統(tǒng),補償后的參數(shù)數(shù)值即開始生效。
五、結(jié)束語
本文主要是以華中數(shù)控為研究對象,對于其他型號的數(shù)控機床,只要對程序和參數(shù)稍作變動同樣可以采用。經(jīng)過工廠、學(xué)校的實踐證明,該測試系統(tǒng)能使機床的精度大大提高,在生產(chǎn)和教學(xué)中取得了良好的效果。 |
