一种简易的数控机床精度检验方法

文章编号:1001-2265(2010)05-0060-03
收稿日期:2009-11-06
作者简介:李继中(1963 ),男,湖南人,深圳职业技术学院教务处副处长,高级工程师,从事数控技术研究,(E -m ail )ljiz hong @szpt 。

一种简易的数控机床精度检验方法
李继中
(深圳职业技术学院,深圳 518055)
摘要:基于GB /T 17421 2标准,本文介绍一种简易、可靠的数控机床精度检验的手工测量方法,在手工测量的基础上,借助英国RE N IS HAW 公司的M L10激光干涉仪,对机床的精度进行自动测量,对两种测量结果进行比较,从可信度与实用性方面进行分析,比较结果说明,这种手工检验方法可靠、实用,为简易、快捷、条件不足的情况下检验机床精度提供了一种便捷方法。

目前许多小型企业,尤其是条件不足的企业在实际工作中也采用这种方法。

关键词:平均位置偏差;反向差值;定位精度;重复定位精度;检验循环中图分类号:TH 16;TG65 文献标识码:A
An Effective Approach for NC M achini n g Tools Accuracy Test
LI Ji zhong
(Shenzhen Po l y technic ,Shenzhen 518055,China)
Abst ract :Basi n g on t he st andar d GB/T 17421.2 2000(equi v alent ISO 230 2:1997),w rit er t ries t o fi n d out a sm i pl e and effec t ive accur acy test m et hod f or CNC machi n i n g t ools .Thi s arti c le i n t r oduces t he m et h od f or CN C accur acy test by usi n g m i c r o m et er (one m anual test m et hod).The w rit er has verifi e d t he outcome by co mpari n g manual t esti n g w i t h aut omatic t esti n g(am et hod by usi n g Renishaw Lt d .l a ser i n t er fer ometer ML 10).The manual testi n gm et hod f or CN C accur acy is credi b l e and usabl e .It i s a r api d and econom icalm et hod f or wor kshop .K ey w ords :m ean positi o naldevi a ti o n ;rever sal val u e ;accur acy of positi o ni n g ;r epeat abilit y of posit i o ni n g ;t es t i n g cycl e
0 引言
数控机床的精度是衡量数控机床质量的一个关键因素,制约着数控机床行业的发展。

本文从数控机床的精度检验、反向差值补偿、结果分析着手,介绍数控机床精度的检验、补偿、分析方法,找到一种行之有效的简易检验法,并对其检验结果进行比较分析,证明其有效性,以降低检验成本、缩短检验周期。

数控机床精度检验的标准主要是GB /T 17421 2 机床检验通则第2部分:数控轴线定位精度和重复
定位精度的确定![1]
,机床精度目前主要借助激光干涉仪等精密的标准检验或校准仪器进行自动检测,但由于仪器贵重,携带与使用不便,所需时间较长,能否找到一种快捷、简便、可靠或可信的检验方法,是本文要解决的问题。

1 数控机床的主要精度指标与检验依据
数控机床的精度指的是整机的综合精度,包括机
床机械结构(裸机)的几何精度及数控系统的精度。

精
度的检验依据分别是GB /T 20957(精密加工中心检验条件)、GB /T 16462(数控车床和车削中心检验条件)、GB /T 17421(机床检验通则)。

本文要解决的是如何依据GB /T 17421 2标准对数控机床的综合精度进行快捷、简便、可靠的检验与分析。

数控机床的综合精度主要有定位精度和重复定位精度这两个指标。

定位精度即双向定位精度,指机床在空载条件下,静态指令位置与实际位置的偏差,该指标反映了机床的固有特性。

重复定位精度反映了机床轴线精度的一致性,是一种呈正态分布的偶然性误差,影响批加工产品的一致性,反映出机床伺服系统特性、进
给系统间隙与刚性、动部件的磨擦特性等[2 3]。

因此,本文以数控机床的定位精度与重复定位精度指标为对象,研究其简易测量方法,并对其可信度进行分析与验证。

单向定位精度A ∀、A #:
A ∀=m ax [ X i ∀+2S i ∀]-m i n [X i ∀-2S i ∀](1)A #
=m ax [ X i #
+2S i #
]-m i n [X i #
-2S i #]
(2)
∃
60∃
双向定位精度:
A=m ax[X
i ∀+2S
i
∀;X
i
#+2S
i
#]-
m i n[X
i ∀-2S
i
∀;X
i
#-2S
i
#](3)
其中的X i∀、X i#、X i分别为测量目标点%i&处的双向
趋近平均位置偏差与双向平均位置偏差,如图1
所示。

图1 位置偏差[1]
图中P i为测量目标点,P i∀、P i#分别为双向趋近目标点时的实际位置。

X
i ∀=P
i
∀-P
i
;X
i
#=P
i
#-P
i
(4)
X
i ∀=1
n
∋n
j=1
X
ij
∀;X
i
#=1
n
∋n
j=1
X
ij
# (n=5)(5)
S i∀,S i#为机床轴线测量位置点i处的单向定位标准不确定度的估算值:
S i ∀=1
n-1
∋n
j=1
(X
ij
∀-X
i
∀)2(6)
S i #=1
n-1
∋n
j=1
(X
ij
#-X
i
#)2(7)
测量点处的双向重复定位精度:
R
i =m ax[2S
i
∀+2S
i
#+|B
i
|;R
i
∀;R
i
#](8)
式中:B i为机床测量轴线i点处的反向差值。

B
i =X
i
∀-X
i
#(9)
轴线反向差值B:
B=m ax[|B
i
|](10) R i∀,R i#为机床测量轴线i点处的单向重复定位精度:
R
i ∀=4S
i
∀,R
i
#=4S
i
#(11)
测量轴线全行程的单向重复定位精度(R∀、R#)与双向重复定位精度R:
R∀=m ax[R
i
∀](12)
R#=m ax[R
i
#](13)
R=m ax[R
i
](14)因此,机床轴线的定位精度及重复定位精度均是一个测量统计值。

2 数控机床精度的测量方法
数控机床精度的主要测量数据是机床各轴线测量点的实际位置数据[2 3]。

具体的测量方式按照GB/T 17421 2标准,有两种检验循环方式 标准检验循环和阶梯循环[1]。

目前各机床企业进行机床精度测量的方法主要有两种方式,步距规加千分表;激光干涉仪和球杆仪等仪器。

采用激光干涉仪时,数据精确,且自动计算,不会出现计算上的错误。

常用的仪器有英国雷尼绍(REN ISHAW)公司的激光干涉仪(M L 10或XL 80)和球杆仪(QC10)。

采用步距规测量精度是传统的测量方法,但按GB/T17421 2的规定,各测量目标点间的距离不等,对步距规提出了更加苛刻的制造要求,因此测量并不方便,若采用传统的步距规,必须对读表数据再进行估算才能得到测量目标点的位置数据,因此也会不精确(存在换算因子,会引入换算误差)。

步距规的安装如图2
所示,要求步距规的轴线与X轴的轴线平行(允差0 02mm),其安装与检验也是一个问题。

图2 步距规与千分表的安装方式
用激光干涉仪测量机床精度完全能满足GB/T 17421 2
的要求,且测量精度高,一致性好,
不受机床行程大小的影响,这是目前机床行业普遍采用的方法,激光干涉仪的光路及工作原理如图3所示,激光干涉仪的安装如图4所示。

图3 激光干涉仪光路及工作原理示意图
图4 用激光干涉仪检验机床精度时的安装示意图
采用激光干涉仪测量和补偿精度,成本高,出射光
∃
61
∃
与反射光的准直调整需要较长时间(取决于操作经验)。

3 利用千分表测量机床精度 便捷的检
验方法
千分表的测量精度/分辨率为1 m,常见的千分表有以下几种,如图5
所示。

图5
常用千分表
以某型FANUC 0i C 850加工中心的X 轴测量为例进行介绍。

按照GB /T 17421 2的规定,各测量目标点的选取应满足P i =(i-1)P +r ,且测量点数不能少于5。

该加工中心X 轴的行程为800mm (Y 轴、Z 轴的行程均为500mm ),目标点数取为6,即i =6,目标位置的间距P 取130mm,按下表1确定各测量点(目标位置)。

表1 测量目标位置间的不同取值及各测量点数据(单位:mm)
目标位置间的
不同取值r
r 1=50
r 2=15
r 3=10
r 4=8
r 5=5
r 6=30
X 轴上各测量点
(目标位置P i )
P 1=50P 2=195P 3=335P 4=473P 5=608P 6=768
由于只使用了千分表,鉴于千分表只能装在工作台或机床立柱上,且千分表的量程只有3~5mm,因此测量的循环方式采用阶梯循环方式对各测量目标进行循环测量,如图6所示。

图6 测量的循环方式[
1]
具体循环过程如图7所示。

图中的(~)为操作步骤。

各目标点自动循环测量的参考程序
[6]
如下。

O 100;
#1=0; 定义循环变量W H ILE [#1LE 4]DO 1; 执行循环(循环5次)G 91G 01X 1 0F 6; 工作台右移1mm
X -1 0; 工作台左移,复位至测量目标点
图7 各测量目标点的测量循环过程分解G 04X 10; 暂停10秒,记录千分表表盘读数,以便计算X m #X -1 0; 工作台左移1mm
G 04X 10; 暂停10秒,记录千分表表盘读数,以便计算X m ∀#1=#1+1;
循环计数值END 1; 循环结束
M 30;%
操作前,机床首先必须执行手动参考点返回操作或已执行过该操作(该型加工中心为半闭环控制方式),各目标点独立执行操作。

Y 轴置于行程的250mm 、Z 轴置于300mm 处,经查系统参数PRM#1851(各轴的
反向差值补偿值)[7]
中对应X 轴的反向差值补偿值为13 m ,测量结果如表2所示。

表中测量位置偏差中的小数点为表盘读数的估计值,因其分辨率为1 m ,根据指针所在位置估算小数值。

表2 某型850加工中心X 轴精度测量数据(用千分表测量)
1
23456目标位置P i /mm 50195335473608768趋近方向
#
∀
#
∀
#
∀
#
∀
#
∀
#
∀
位置偏差/ m
j =1
1 3-1 0
2 1-0 8
3 20 3
2 8-0 9-0 8-1 20 9-2 3
20 8-0 61 0-0 72 6-0 83 2-1 21 2-0 9-0 2-1 831 8-0 81 3-1 02 0-1 11 9-0 80 6-1 01 3-2 042 0-0 92 2-0 62 3
0 1
2 3-1 11 0-0 71 0-2 2
5
1 6-1 11 6-1 33 0-0 93 0-1 0-0 2-0 90 6-1 9 X i / m 1 5-0 91 6-0 9
2 6-0 52 6-1 00 4-0 90 7-2 0S i / m 0 50 20 50 30 50 60 50 20 80 20 60 22S i / m 0 9
0 4
1 0
0 6
1 0
1 3
1 1
0 3
1 7
0 4
1 1
0 4
X i -2S i / m 0 6-1 30 6-1 51 6-1 81 51 3-1 3-1 3-0 4-2 4
X i +2S i / m 2 4-0 52 6-0 33 60 83 7-0 72 1-0 51 8-1 6R i =4S i / m
1 9
0 8
2 1
1 1
2 0
2 5
2 1
0 6
1 7
0 7
2 3
0 8
反向差值B i / m -2 4-2 5-3 1-3 6-1 3-2 7双向R i / m 3 74 15 46 03 84 2双向平均位置偏差 X i / m
0 30 4
1 1
0 8
-0 3
0 3
轴向偏差单向#
单向∀双向反向差值B / m 不适用不适用3 6
重复定位精度
R / m 2 3(i =6时)
2 5(i =3时)
6 0(i =4时)
定位精度A / m
3 7-(-1 3)=5 0
0 8-(-2 4)=3 2
3 7-(-2 4)=6 1
(下转第67页)
∃
62∃
图10 急停处理电路
3.7 控制面板布置
为实现机床集中控制,设计电控柜面板如下图11
所示。

图11 面板设计
[参考文献]
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机械,2003(5):14-15.
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[4]王爱玲,深兴全,吴淑琴,等.现代数控编程技术及应用
[M ].北京:国防工业出版社,2002.
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南交通大学出版社,2003.
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2003.
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机床与液压,2004(7):17-20.
(编辑 李秀敏
)
(上接第62页)
由表2可知,该机床X 轴的重复定位精度为6 0 m ,定位精度为6 1 m,反向差值为3 6 m 。

将机床系统参数PRM#1851中X 轴对应的补偿值(原为13)再加上4(四舍五入),共计17 m 写入参数值中,并保存,则X 轴的反向差值补偿得到了进一步的改善。

4 验证与分析
上述检验方法简单、易行、成本低、所使用的仪器设备少、测量时间相对较短,但需对其测量结果的有效性及可靠性进行验证与分析,影响测量精度的主要因素如下。

(1)阶梯循环测量方式与标准循环测量方式会带
来相应的偏差[1]
;
(2)千分表量程较短(因此阶梯循环的行程短),轴线运行的速度较低,轴线的动态特性不能完全体现出来;
(3)测量时,轴线运行速度较低,测量的位置偏差可能加大;
(4)加工中心轴线的螺距误差没有修正(使用了较长时间,没有补偿),轴线的定位精度也会受到影响。

考虑到上述因素,在没有进行螺距误差修正和反向差值修正(保留原13 m )的情况下,再使用雷尼绍公司的M L10激光干涉仪及其配套软件,按照上述的测量目标点,采用标准循环测量方式,轴线的运行速度为4m /m in 再次进行测量,得出X 轴的相应测量结果如下。

(1)反向差值B:3 2 m (四舍五入,取为3)
(2)重复定位精度R:5 1 m
(3)定位精度A:5 3 m
将激光干涉仪的测量结果作为标准,则可得出千分表测量结果的偏置,按下式计算。

=
千分表测量数值-激光干涉仪的测量数值
激光干涉仪的测量数值
∗100%
(14)
(1)B :12 5%;(2)R :17 6%;(3)A :15 1%由上述结果可见,在没有激光干涉仪等精密仪器的情况下,采用这种简易的测量方法,测量结果还是可靠与可信的,测量数值分布在3 区域。

[参考文献]
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M ATE -M ODEL C PARAM ETER M ANUAL [M ].北京:BE I JI NG -FANU C ,2004.
(编辑 李秀敏
)
∃
67∃。