数控机床几何精度检验

在机床完成空运行及相关功能检测后，数控机床的安装调试过程就进入了精度检验环节，这个环节也是用户和设备提供方最关心和最重要的环节，也是设备检测验收中最常见的环节。
    数控机床全部检测验收是一项复杂的工作，对检测手段及技术要求也很高。它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气等各部分性能及整机综合性能进行检测，最后才能对该机床得出综合结论。这项工作目前在国内只有国家权威部门（如国家机床质量监督检验中心）才能进行。对一般的数控机床用户、购买一台价格昂贵的数控机床后，千万不要吝啬几千元的验收费用，至少应对数控机床的几何精度、位置精度、工作精度及功能等重要指标进行验收，确保达到合同所约定的验收标准的要求，并将这些数据保存好，以作为日后机床维修调整时的依据。同时要对采购合同中约定的重要条款进行详细的检验验收。
     数控机床的几何精度是综合反映机床主要零部件组装后线和面的形状误差、位置或位移误差。根据GB T 17421.1-1998《机床检验通则 第1部分 在无负荷或精加工条件下机床的几何精度》国家标准的说明有如下几类：
（一）、直线度
1、一条线在一个平面或空间内的直线度，如数控卧式车床床身导轨的直线度；
2、部件的直线度，如数控升降台铣床工作台纵向基准T形槽的直线度；
3、运动的直线度，如立式加工中心X轴轴线运动的直线度。
长度测量方法有：平尺和指示器法，钢丝和显微镜法，准直望远镜法和激光干涉仪法。
角度测量方法有：精密水平仪法，自准直仪法和激光干涉仪法。
（二）、平面度（如立式加工中心工作台面的平面度）
测量方法有：平板法、平板和指示器法、平尺法、精密水平仪法和光学法。
（三）、平行度、等距度、重合度
线和面的平行度，如数控卧式车床顶尖轴线对主刀架溜板移动的平行度；
运动的平行度，如立式加工中心工作台面和X轴轴线间的平行度；
等距度，如立式加工中心定位孔与工作台回转轴线的等距度；
同轴度或重合度，如数控卧式车床工具孔轴线与主轴轴线的重合度。
测量方法有：平尺和指示器法，精密水平仪法，指示器和检验棒法。
（四）、垂直度
直线和平面的垂直度，如立式加工中心主轴轴线和X轴轴线运动间的垂直度；
运动的垂直度，如立式加工中心Z轴轴线和X轴轴线运动间的垂直度。
测量方法有：平尺和指示器法，角尺和指示器法，光学法（如自准直仪、光学角尺、放射器）。
（五）、旋转
径向跳动，如数控卧式车床主轴轴端的卡盘定位锥面的径向跳动，或主轴定位孔的径向跳动；
周期性轴向窜动,如数控卧式车床主轴的周期性轴向窜动；
端面跳动，如数控卧式车床主轴的卡判定位端面的跳动。
测量方法有：指示器法，检验棒和指示器法，钢球和指示法。

数控机床精度分为：几何精度、定位精度和工作精度。

1. 几何精度

机床主体的几何精度综合反映机床各关键零、部件及其组装后的综合几何形状和位置误差，包括部件自身精度和部件之间的相互位置精度。一般通过部件单项静态精度检测工作来进行验收，数控设备几何精度的检测内容、检测工具和检验方法均与普通机床相似，通常按其机床所附检验报告或有关精度检测标准进行检测即可。

2. 定位精度

定位精度是普通机床没有的检验项目，一般精度标准规定了定位精度、重复定位精度、反向偏差值，其中每项又分直线运动精度和回转运动精度，检查时应注意：

（1）环境温度在15～25℃之间，并在此温度下等温12 h。

（2）进行空运转及功能试验。

（3）无负荷条件下进行。

3. 工作精度

数控设备工作精度主要指机床的切削加工精度。切削精度不仅反映出机床的几何精度和定位精度，还同时包括了环境温度、试件材料及硬度、刀具性能及切削用量等各种因素可能造成的误差。其验收工作通过综合性的动态精度检测工作来进行。为了检测机床真实的切削精度，在验收过程中应尽量排除其他的影响因素。

在切削试件时，可参照JB 2670-82中规定的有关条文进行，或按机床所附有关技术资料规定的具体条件进行。切削精度检测可分为单项加工精度检测和综合加工精度检测。不同类型的机床的检测内容有所不同，可根据自己的检测条件和要求，合理进行选择。

数控机床位置精度的测试与补偿

一、 机床进给传动装置的结构

在数控机床进给传动装置中,一般由电动机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转,由滚珠丝杠螺母机构将回转运动转换为直线运动。
1. 进给机构的结构

滚珠丝杠螺母机构的工作原理如图1所示。在丝杠1和螺母2上各加工有圆弧形螺旋 槽,将它们套装起来形成螺母旋转副时,在滚道内装满滚珠3。当丝杠相对螺母旋转时,丝杠的旋 转面通过滚珠推动螺母轴向移动,同时滚珠沿螺旋转形滚道滚动,使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转 化为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管4连接起来,使滚珠能够从一端重新回到另一端,构成一个闭合的循环回路。

图1 滚珠丝杠螺母机构

1——丝杠 2——螺母3——滚珠 4——回珠管
2. 进给传动误差

由于滚珠丝杠副在加工和安装过程中存在误差,因此滚珠丝杠副将回转运动转换为直线 运动时存在以下两种误差。
(1)螺距误差,即丝杠导程的实际值与理论值的偏差。例如,PⅡ滚 珠丝杠的螺距公差为0.012/300mm。
(2)反向间隙,即丝杠和螺母无相对转动时,丝 杠和螺母之间的最大窜动。由于螺母结构本身的游隙以及其受轴向载荷后的弹性变形,滚动丝杠螺 母机构存在轴向间隙。该轴向间隙在丝杠反向转动时表现为丝杠转动α角,而螺母未移动,形成了 反向间隙。为了保证丝杠和螺母之间的灵活运动,必须有一定的反向间隙。但反向间隙过大将严重 影响机床精度。因此,数控机床进给系统所使用的滚珠杠副必须有可靠的轴向间隙调节机构,具体的调整在此不再赘述。
3.电动机与丝杠的连接及传动

电动机与丝杠间常用的连接及传动方式有以下三种。
(1) 直联,即用联轴器将电动机轴和丝杠沿轴线连接起来,其传动比为1∶1。该连接方式传动时无间隙 。
(2)同步带传动,即将同步带轮固定在电动机轴和丝杠上,用同步带传递扭矩。该传动方式的 传动比由同步带轮齿数比确定,传动平稳,但有传动间隙。
(3)齿轮传动,电机通过齿轮或齿轮 箱将扭矩传到丝杠,传动比可根据需要确定。该传动方式传递的扭矩大,但有传动间隙。同步带传动、齿轮传动中的间隙是产生数控机床反向间隙差值的原因之一。

二、定位精度测量工具和测量方法

测量定位精度和重复定位精度的仪器有激光干涉仪、线纹尺和步距规等。其中,步距规因其在测 量定位精度时操作简单而在批量生产中被广泛采用。无论采用哪种测量仪器,其在全行程上的测量 点数不应少于5点,测量间距按下式确定:Pi=iP+k其中,P为测量间距;k在各目标位置 时取不同的值,以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔,从而保证周期误差被充分采样。这里采用步距规进行测量。步距规结构如图2所示。图2步距规结构 图尺寸P1,P2,…,Pi按100mm间距设计,加工后测量出P1,P2,…,P i的实际尺寸作为定位精度检测时的目标位置坐标(测量基准)。以ZJK7532A铣床X轴定 位精度的测量为例。测量时,如图3所示将步距规置于工作台上,并将步距规轴与X轴轴线校平行 ,令X轴回零;将杠杆千分表固定在主轴箱上(不移动),表头接触在Po点,表针置零;用程序 (限于篇幅,略)控制工作台按标准循环图(见图4)移动,移动距离依次为P1,P2,…,P i,表头则依次接触到P1,P2,…,Pi点,表盘在各点的读数则为该位置的单向位置偏差。 按标准循环图测量5次,将各点读数(单向位置偏差)记录在记录表中,按国家标准GB/T17421.—1999评定方法对数据进行处理,由此可确定该轴线 的定位精度和重复定位精度。

图3 ZJK7532A铣床

图4 标准检验循环图

三、软件补偿

1. 螺距补偿数控机床螺距补偿的基本原理是:在机床坐标系中,在无补偿的条件下,在轴线测量行程内将测量行程分为若干段, 测量出各自目标位置Pi的平均位置偏差, 把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补指令上, 如图5示。指令要求沿X轴运动到目标位置Pi, 目标实际位置为Pij, 该点的平均位置偏差为。将该值输入系统, 则CNC系统在计算时自动将目标位置Pi的平均位置偏差叠加到插补指令上,实际运动位置为,使误差部分抵消, 实现误差的补偿。数控系统可进行螺距误差的单向和双向补偿。

图5 螺距补偿原理
2. 反向间隙补偿反向间隙补偿又称为齿隙补偿。机械传动链在改变转向时,反向间伺服电动机空转而工 作台实际上不运动,称为失动。反向间隙补偿的原理是:在无补偿的条件下,在轴线测量行程内将 测量行程等分为若干段,测量出各目标位置Pi的平均反向差值,作为机床的补偿参数输入系统。 CNC系统在控制坐标反向运动时,自动先让该坐标轴反向运动,然后按指令进行运动。如图6所 示,工作台正向移动到O点,然后反向移动到Pi点。反向时,电动机(丝杠)先反向移动,后移 动到Pi点。在该过程中,CNC系统实际指令运动值为。反向间隙补偿在坐标轴处于任何方式时均有效。图6反向间隙补偿3. 误差补偿的适用范围从数控机床进给传动装置的结构和数控系统的三种控制方法可知,误差补偿对半 闭环控制系统和开环控制系统具有显著的效果,可明显提高数控机床的定位精度和重复定位于精度 。对于全闭环数控系统,由于其控制精度高,采用误差补偿的效果不显著,但也可进行误差补偿。
四、单向螺距补偿举例

1.实际测量测量对象为ZJK7532A 数控钻铣床的X轴,测量方法为“步距规测量法”,假定某步距规实际尺寸如表1所示。

2. 单向螺距补偿

(1)在首次测量前,开机进入数控系统(华中数控HNC-2000或HNC-21 )依次按“参数F3”键、“输入权限F3”键进入下一级子菜单,按“数控厂家参数F1”键, 输入数控厂家权限口令(初始口令为“NC”),回车;再按“参数索引F1”键、“轴补偿参数 F4”键;移动光标选择“O轴”后,回车即进入系统X轴补偿参数界面,如图7所示。将系统的 反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零后,按Esc键,界面出现对话框“是否保存修改参数?” ,按Y键后保存修改后的参数。按F10键回到主界面,再按Alt+X键,退出系统,进入DO S状态;按N键后回车进入系统。

(2)编制步距规的测量程序,实现图4所示测量循环。程序名 为“OJX”。将步距规实际尺寸P1,P2,…Pi填入测量程序的变量中。

(3)将步距规置 于工作台中间位置,注意步距规的方向(Po点朝向X轴负向,将步规用压板轻轻地固定在工作台 上,并用百分表将距规轴X轴导向校平行,平行度允差为0.02mm)。

(4)使工作台沿X轴 向回零,Y轴置于其行程中间位置;将杠杆千分表固定在主轴箱上(不移动),使其表头接触Po 点,表针置零。

(5)将波段开关置于“单段”,进给修置于“100%”,选择检测程序“OJ X”,重复按“循环启动”键。当程序执行到“N05”行时,将表针再次置零,再将波段开关置 于“自动”后,按“循环启动”键开始测量(测量完成前不要调整杠杆千分表表针)。

(6)在测 量程序运行过程中,当工作台运动到目标位置时,表头接触到步距规的测量面,测量程序要设置有 暂停3s子程序段(G04X3),此时记下表针读数,填入表2中。例如,在第一次测量时,工 作台负向运动到P1点,表针读数为“6”时,读数“6”记录在“P1,↑,X1”位置,如表 2所示。

(7)测量5个循环,并将读数记录到“表2中。测量完成后停止运行,将表头移开。

3 .数据处理

按如前所述“定位精度和重复定位精度的确定(GB/T17421.2—1999国 家标准评定方法”对数据进行处理,先计算出“平均位置偏差”、“反向差值Bi”和“平均反向差值”。

4.误差补偿

按如前所述操作步骤进入系统X轴补偿参数 表,如图7所示。表1 步距规尺寸表位置PO P1 P2 P3 P4 P5实际尺寸/mm0无100.10200.20300.10400.20500.05 表2 测试记录表

(1)反向间隙补偿将表2中计算所得的轴线平均反向差值写入系统X轴补偿参数表的“ 反向间隙(内部脉冲当量)”后的数据栏

(2)单向螺距补偿将“螺距补偿类型”、“补偿点数” ,“参数点偏差号”、“补偿间隔”分别设为“1”、“6”、“5”和“100000”,将“ 记录表”中“平均位置偏差”的值填入“X轴补偿参数表”的“偏差值〔〕”内,即将值“1”填 入“偏差值(内部脉冲当量)

〔5〕”,将值“3”填入“偏差值(内部脉冲当量)

〔4〕”,将值“5”填入“偏差值(内部脉冲当量)

〔3〕”,图7系统轴补 偿参数界面及单向螺距补偿后的数据设置部脉冲当量)〔0〕”。补偿后的参数如图7所示 。补偿参数输入完成后,按Esc键,界面出现对话框“是否保存修改参数?”,按F10键回到 主界面,再按Alt+X键,退出系统,进入DOS状态。按N键回车进入系统,补偿后的参数数 值即开始生效。

五、结束语