1、数控机床位置精度测试常用数控机床位置精度测试常用的测量方法及评定标准的测量方法及评定标准 1 1 定位精度和重复定位精度的确定定位精度和重复定位精度的确定 GB/T12421.2-99国家标准评定方法目标位置Pi：运动部件编程要达到的位置。下标i表示沿轴线选择的目标位置中的特定位置。实际位置Pij（i=0m，j=1n）：运动部件第j次向第i个目标位置趋近时的实际测得的到达位置。位置偏差Xij ：运动部件到达的实际位置减去目标位置之差，Xij=Pij Pi。单向趋近：运动部件以相同的方向沿轴线（指直线运动）或绕轴线（指旋转运动）趋近某目标位置的一系列测量。符号表示从正向趋近所得参数，符号表示从负
2、向趋近所得参数，如Xij或Xij。双向趋近：运动部件从二个方向沿轴线或绕轴线趋近某目标位置的一系列测量。某一位置的单向平均位置偏差或：运动部件由n次单向趋近某一位置Pi所得的位置偏差的算术平均值。=或 =_ix_ix 11njijxn_ix 11njijxn 某一位置的双向平均位置偏差 ：运动部件从二个方向趋近某一位置P Pi i所得的单向平均位置偏差 和 的算术平均值。=（+）/2 某一位置的反向差值Bi：运动部件从二个方向趋近某位置时两单向平均位置偏差之差。Bi=_ix_ix_ix_ix_ix_ix_ix_ix轴线反向差值B和轴线平均反向差值 ：运动部件沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值
3、的绝对值Bi中的最大值即为轴线反向差值B。沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的Bi的算术平均值即为轴线平均反向差值B=max.Bi 在某一位置的单向定位标准不确定度的估算值Si或Si：_B_B_BmiiBm11=通过对某一位置Pi的n次单向趋近所获得的位置偏差标准不确定度的估算值。即njiijxxn12)(11njiijxxn12)(11Si=Si=在某一位置的单向重复定位精度Ri或Ri及双向重复定位精度Ri Ri=4 Si 和 Ri=4 SiRi=max.2 Si+2 Si+Bi；Ri；Ri 轴线双向重复定位精度R ，则有R=max.Ri轴线双向定位精度A：由双向定位系统偏差和双向定位标准
4、不确定度估算值的2倍的组合来确定的范围。即 A=max(I +2 Si；I +2 Si)min(I -2 Si；I -2Si)xxxxx 定位精度和重复定位精度的确定JISB6330-1980标准（日本）定位精度A：在测量行程范围内（运动轴）测2点，一次往返目标点检测（双向）。测试后，计算出每一点的目标值与实测值之差，取最大位置偏差与最小位置偏差之差除以2，加正负号（）作为该轴的定位精度。即：A=1/2 Max.（Max.Xj-Min.Xj），（Max.Xj-Min.Xj）重复定位精度R：在测量行程范围内任取左中右三点，在每一点重复测试2次，取每点最大值最小值之差除以2就是重复定位精度；即R=
5、1/2 Max.（Max.Xi-Min.Xi）2 2 定位精度测量工具和方法定位精度测量工具和方法 定位精度和重复定位精度的测量仪器可以用激光干涉仪、线纹尺、步距规。其中用步距规测量定位精度因其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=i*P+k其中，P为测量间距；k在各目标位置取不同的值，以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔，以保证周期误差被充分采样。步距规测量 步距规结构如图1所示：尺寸P1、P2、.Pi按100mm间距设计，加工后测量出P1、P2、.Pi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）。
6、以ZJK2532A铣床X轴定位精度测量为例，测量时，将步距规置于工作台上，并将步距规轴线与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P0点，表针置零；用程序（见附件一）控制工作台按标准循环图（图2）移动，移动距离依次为P1、P2、.Pi，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“2.3.4定位精度和重复定位精度的确定 GB/T12421.299标准”对数据进行处理，可确定该坐标的定位精度和重复定位精度。P01050 80PiP2P1图图6 步距规结构图步距
7、规结构图图图1 1 步距规结构图步距规结构图 位置i（m=5）i 0 1 2 3 m=5循环 jj=1,2,.n图图7 标准检验循环图标准检验循环图图图2 2 标准检验循环图标准检验循环图 激光干涉仪测位置精度激光干涉仪测位置精度 测量原理 激光干涉仪一般采用的是氦氖激光器，其名义波长为0.633um，其长期波长稳定性高于0.1ppm。干涉技术是一种测量距离精度等于甚至高于1ppm的测量方法。其机理是：把两束相干光波形合并相干（或引起相互干涉），其合成结果为两个波形的相位差，用该相位差来确定两个光波的光路差值的变化。当两个相干光波在相同相位时，即两个相干光束波峰重叠，其合成结果为相长干涉，其输
8、出波的幅值等于两个输入波幅值之和；当两个相干光波在相反相位时，即一个输入波波峰与另一个输入波波谷重叠时，其合成结果为相消干涉，其幅值为两个输入波幅值之差，因此，若两个相干波形的相位差随着其光程长度之差逐渐变化而相应变化时，那么合成干涉波形的强度会相应周期性的变化，即产生一系列明暗相间的条纹，激光器内的检波器，根据记录的条纹数来测量长度，其长度为条纹数乘以半波长。测试方法 首先将反射镜置于机床的不动的某个位置，让激光束经过反射镜形成一束反射光；其次将干涉镜置于激光器与反射镜之间，并置于机床的运动部件上，形成另一束反射光，两束光同时进入激光器的回光孔产生干涉；然后根据定义的目标位置编制循环移动程序
9、，记录各个位置的测量值（机器自动记录）；最后进行数据处理与分析，计算出机床的位置精度。测量示意图如图3所示。图图3 激光干涉仪测量示意图激光干涉仪测量示意图 4 4 数控机床软件补偿原理数控机床软件补偿原理 一般来讲，数控机床的优势在于软件（数控系统）和硬件（机床）的有机结合，才能很好的发挥数控机床的各种特性及先进的功能。一台数控设备经过一年的运行，很多移动部件都发生了不同程度的磨损，其位置精度都会发生变化。即使未到大修年限，一般精密级的数控机床，都会重新进行位置精度的测试及补偿，其也属于机床维修及维护的重要一部分，当然，大修的数控机床就必须进行位置精度的测试及补偿了。本章着重介绍一下精度补偿
10、的一般性原理及方法。4.14.1螺距补偿原理螺距补偿原理数控机床软件补偿的基本原理是在机床的机床坐标系中，在无补偿的条件下，在轴线测量行程内将测量行程等分为若干段，测量出各目标位置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4所示，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，则系统CNC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：Pij=Pi+，使误差部分抵消，实现误差的补偿。螺距误差可进行单向和双向补偿。_ix_ix_ix_ixXPiPij0 螺矩误差补偿原理螺矩误差补偿原理Pi4
11、.24.2反向间隙补偿原理反向间隙补偿原理 反向间隙补偿又称为齿隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于反向间隙的存在，会引起伺服电动机的空转，而无工作台的实际运动，又称失动。反向间隙补偿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系统在控制坐标轴反向运动时，自动先让该坐标反向_B图4 螺矩误差补偿原理 运动值，然后按指令进行运动。如图5所示，工作台正向移动到O点，然后反向移动到Pi点，反向时，电机（丝杆）先反向移动，后移动到Pi点；该过程CNC系统实际指令运动值L为：_BL=PL=Pi i+_B反向间隙
12、补偿在坐标轴处于任何方式时均有效。在系统进行了双向螺距补偿时，双向螺距补偿的值已经包含了反向间隙，因此，此时不需设置反向间隙的补偿值。工作台0PiXL图图5反向间隙补偿反向间隙补偿4.3 4.3 误差补偿的适用范围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精度。对全闭环数控系统，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。4.44.4补偿实例补偿实例 现以ZJK2532A数控铣钻床的X轴为例，该机床配置华中数控世纪星系统。测量方法为“步距规”测量；设
13、某步距规实际尺寸为：位置P0P1P2P3P4P5实际尺寸mm0100.10200.20300.10400.20500.05 1、测试步骤如下：。在首次测量前，开机进入系统（华中数控HNC-2000或HNC-21M），依次按“F3参数”键、再按“F3输入权限”键进入下一子菜单，按F1数控厂家参数，输入数控厂家权限口令，初始口令为“NC”，回车，再按“F1参数索引”键，再按“F4轴补偿参数”键如图2-6所示，移动光标选择“0轴”回车，即进入系统X轴补偿参数界面如图2-8所示，将系统的反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零，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
14、数。按“F10”键回到主界面，再按“Alt+X”，退出系统，进入DOS状态，按“N”回车进入系统；。编制步距规的测量程序，实现图2所示测量循环。程序名为“OJX”；程序详见附件1；将步距规实际尺寸P1、P2、.Pi 填入测量程序的变量中；。将步距规置于工作台中间位置，注意步距规的方向，P0点朝向X轴负向，用压板轻轻地固定，并用百分表将步距规轴线与X轴导向导轨校平行，平行度允差0.02mm；。使工作台沿X轴向回零，Y轴置于行程中间位置；将杠杆千分表固定在主轴箱上（不移动），表头接触在P0点，表针置零；如图6所示。ba图图2-6步距规安装示意图步距规安装示意图图图6步距规安装示意图步距规安装示意图
15、 图图7 7参数索引界面参数索引界面 。将波段开关置于“单段”，进给修调置于“100%”，选择检测程序“OJX”，重复按“循环启动”，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”开始测量，在测量完成前不应调整杠杆千分表表针。在测量程序运行中，当工作台运动到目标位置时，表头接触到步距规测量面，测量程序设置有暂停3秒（G04X3），此时记下表针读数，记录在“测试记录表”中。例如在第一次测量，工作台负向运动到P1点时表针读数为“6”时，读数“6”记录在“P1，X1”位置。如表7所示。测量5个循环，并将读数记录到“测试记录表”中。停止运行，将表头移开测量面。2
16、 2、数据处理、数据处理 按“定 位 精 度 和 重 复 定 位 精 度 的 确 定定 位 精 度 和 重 复 定 位 精 度 的 确 定 GB/T12421.299GB/T12421.299标准标准”对数据进行处理，先计算出“平均平均位置偏差位置偏差”、“反向差值反向差值B Bi i”和和“平均反向值平均反向值B Bi i”；3 3、误差补偿误差补偿 按测试步骤操作进入系统X轴补偿参数表，见表3。_ix反向间隙补偿反向间隙补偿 将记录表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；单向螺距补偿单向螺距补偿 将“螺距补偿类型”设为“1”，“补偿点
17、数”设为“6”，“补偿间隔”设为“100000”，“参考点偏差号”为“5”；。将“记录表”中“平均位置偏差 ”的值填入“X轴补偿参数表”_B_ix表表3 3 测试记录表测试记录表 平均反向差平均反向差值值B Bi i实实验验记记录录机床型机床型号号ZJK2532ZJK2532A A测试坐测试坐标标X X测试者测试者 机床编机床编号号 测试温测试温度度 日日 期期 i=i=0 01 12 23 34 45 5目标位目标位置置P Pi i=0 0-10100.0.1010-20200.0.2020-300.10-300.10-400.20-400.20500.05500.05趋近方趋近方向向 位置
18、位置 j=1j=1偏差偏差 2 2X Xijij 3 34 4（mm）5 50 0 6 6 _ix平均反平均反向差值向差值B Bi i数数据据处处理理平均位平均位置偏差置偏差1 12 23 34 45 56 62 28 89 9101011111212反向差反向差值值B Bi i 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”将 值“7”填入“偏差值（内部脉冲当量）2”将 值“9”填入“偏差值（内部脉冲当量）1”将 值“11”填入“偏差值（内部脉冲当量）0”_0 x_1x_2x_3x_4x
19、_5x_0 x_0 x补偿后的参数如图8所示。单向补偿后，按上述测试步骤再次进行定位精度的测量并进行数据处理。计算出X轴线单向补偿后的定位精度和重复定位精度。双向螺距补偿双向螺距补偿 按“测试步骤所述步骤进行数据测量和处理，按下述步骤输入补偿参数。l 将“反向间隙”值设为“0”，“螺距补偿类型”设为“2”，“补偿点数”设为“6”，“补偿间隔”设为“100000”，“参考点偏差号”为“5”l 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；既将 值“1”填入“偏差值（内部脉冲当量）11 _ix_0 x 8 8系统轴补偿参数界面及单向补偿后的数据设置系统轴补偿参数界面及单
20、向补偿后的数据设置 将 值“3”填入“偏差值（内部脉冲当量）10”将 值“5”填入“偏差值（内部脉冲当量）9”将 值“7”填入“偏差值（内部脉冲当量）8”将 值“9”填入“偏差值（内部脉冲当量）2”将 值“11”填入“偏差值（内部脉冲当量）6”将 值“2”填入“偏差值（内部脉冲当量）5”将 值“4”填入“偏差值（内部脉冲当量）4”将 值“6”填入“偏差值（内部脉冲当量）3”将 值“8”填入“偏差值（内部脉冲当量）2”将 值“10”填入“偏差值（内部脉冲当量）1”将 值“12”填入“偏差值（内部脉冲当量）0”_0 x_1x_1x_2x_2x_3x_3x_4x_4x_5x_5x 双向补偿后的参数如下图9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“Y”键后保存修改后的参数。按“F10”键回到主界面，再按“Alt+X”，退出系统，进入DOS状态，按“N”回车进入系统，偿后的参数数值即开始生效。双向补偿后，按测试步骤再次进行定位精度的测量并进行数据处理。计算出X轴线双向补偿后的定位精度和重复定位精度。图图9 9 双向螺距补偿参数设置双向螺距补偿参数设置
