采用间隙误差补偿与螺距误差补偿改善机床最终数控精度_刘西京

采用间隙误差补偿与螺距误差补偿

改善机床最终数控精度

刘西京

(陕西东风昌河车桥股份有限公司,陕西铜川　727000)

摘　要:采用间隙误差补偿与螺距误差补偿的方法,改善机床最终数控精度并介绍了具体应用过程。关键词:间隙误差补偿;螺距误差补偿;机床最终数控精度

中图分类号:TH161+.4 文献标识码:B 文章编号:1007-4414(2001)03-0006-02

加工中心机床是集钻,镗,铣加工功能为一体,具有自动换刀装置的数控设备,各项精度要求十分严

格,特别是对坐标轴定位精度与重复定位精度的要求非常高,如TH6350型机床,对三坐标定位精度的要求是每300mm 长上允差为+0.01mm ,全行程上允差不超过0.04mm ,而对此三坐标重复定位精度的要求不超过+0.005mm 。采用FANUC -OMC 系统可快速定位,伺服电机经联轴节带动滚珠丝杠转动,可获得10m /min 速度,定位精度高,机床进给振动小,低速无爬行,具有较高的稳定性。

影响机床坐标定位与重复定位精度的因素有螺距误差与间隙误差,对于刚性的丝杠系统来说,螺距误差来自丝杠本身制造精度引起的螺距不等。对于同一方向定位的各定位点来说,由于不存在间隙误差的影响,因此它们之间的定位误差可以很好的反映螺距误差。反向间隙误差则来自丝杠与丝杠副之间,轴承与轴承座之间的空隙。丝杠向其相反方向运动时,此空隙会造成一段空运转,这时丝杠转动,但工作台不动,此种情况下产生的误差称为反向间隙误差,此反向定位误差值即被认为是该点的间隙误差。

传动部件与运动部件具有一定的弹性,完全刚性的物质是理想化的。因此在外力的作用下会发生弹性形变,运行中的丝杠受弹性形变影响很大,它所造成的误差是其与反向间隙的总和,与丝杠受力有关,运动过程中阻力大的地方弹性间隙也大,如丝杠定位不好,导轨变形不均匀或压板配合不紧凑,都会导致在运动全程上丝杠受力不均匀,导致弹性间隙在全程上分布变化大,使精度受影响。

所以当机床定位精度与重复定位精度不好时,可以在消除机械上的因素之后采用螺距误差补偿和间隙误差补偿的方式改善机床精度,由于加工中心采用

高科技的数控系统来驱动电机带动机床运动,系统本身具有的功能可以进行自动补偿。

如前所述,由于丝杠存在着反向间隙误差,因此在其运动换向时利用数控系统让电机多转几转,以带动丝杠多走一个补偿值来弥补丝杠反向时间隙产生的一段空程,因此我们可以用读数显微镜—刻度尺法进行间隙补偿,用读数显微镜进行观测刻线,并通过显微镜中的游标记录下该刻线的位置。由于相邻两刻线的间距是0.1mm ,故当刻线尺沿与尺平行的方向移动整数毫米后,另一条刻线将移动到和被记录下的刻线的同一位置上。如果运动有误差,则可以通过读数显微镜测出。读数值和误差方向之间的关系与显微镜的放置方法有关,可以通过以下方法判断:由于显微镜成倒像,故此机床运动方向。显微镜读数分辨率为1μm 即0.001mm ,游标卡尺每格之间距离为0.1mm 。图1(a )表示游标卡尺和读数显微镜都在中间位置,测量点0mm 处定位偏差读数应看显微镜刻度盘值即50,图1(b )表示测量点150mm 处定位偏差值相对0mm 处少走了一端距离例如15,此时转动显微镜刻度盘将游标卡尺刻线与显微镜中线重合,这时150mm 处定位偏差值的数值应为转动显微镜刻度盘后读数值即50-15=35,图1(c )表示测量点300m m 处定位偏差值相对0mm 处多走了一端距离例如15,

此时转动显微镜刻度盘将游标卡尺刻线与显微镜中线重合,这时300mm 处定位偏差值的数值应为转动显微镜刻度盘后读数值即50+15=65,下面介绍差值超过0.1mm 时显微镜的读数方法,如图2(假设游标卡尺和显微镜刻度盘读数都在中间位置)

用这种方法无法测量1mm 以上的误差,另外安装刻线尺显微镜必须保证:①运动方向和刻线尺平行。②显微镜光路与刻线尺垂直。③游标轴线与刻

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6· 收稿日期:2001-02-05

作者简介:刘西京(1965-),男,工程师,1989年毕业于陕西机械学院工业电气自动化专业,长期从事数控机床维修与改造工作。

线尺平行,否则影响读数精度

。

图1　显微镜刻度盘显示

A .显微镜

B .游标卡尺

C .显微镜中线

D .

显微镜刻度盘

图2　差值超过0.1mm 显微镜的读数方法

从读数显微镜—刻线尺所得数据反映了各个点上实际位置与理想位置之差,也反映了各段距离的运动偏差。由于数据系统给出的间隙量对轴上各点都是一致的,故只有当间隙误差在丝杠全长上均匀时,间隙补偿才能收到良好的效果。我们可以采用在轴

的全长上任意均分数点进行观测,以立式加工中心机床为例,通常采用的是6点5段距离观测,顺序如下:

P2—P3—P4—P5—P6P1—P2—P3—P4—P5—P6

P1至P6是由正向负方向的运动,P6至P1是由负向正方向的运动。用K1至K6表示各点数据;用N 表示由正向负的运动,P 表示由负向正的运动,则数据形式如下:

NK2　NK3　NK4　NK5　NK6PK1　PK2　PK3　PK4　PK5

在同一点上由于不存在螺距误差的影响,故用同一点上的正反向定位读数差值作为该点的反向综合误差值。由数据表可知可以在4个点上观测到反向综合误差值,我们用b2-b5来表示b2=PK2-NK2　b3=PK3-NK3　b4=PK4-NK4

b5=PK5=NK5

由于反向间隙补偿对各个点的补偿是一样的,也就是说使NK2-NK6同时增加了一个值。目的是使最大反向综合误差值减小,这个数就是间隙补偿值,可以看出该值是最大间隙误差值和最小间隙误差值的平均数。即:b 补= b 最大+b 最小 /2;

补偿后间隙补偿值最大为:Eb = b 最大-b 最小 /2;

可见想让E b 值小,必须使b 最大-b 最小值要

小,也就是在全程上反向综合误差要均匀,即弹性间隙必须均匀,所以要求工作台或主轴箱在全行程上受力要均匀。值是衡量装配质量的重要数据,该值大于误差限时靠数控补偿是不能达到精度要求的。综上所述即坐标丝杠由正向负运动记下6个数据再由负向反向正反向运动记下6个数据,一起并为一组,在

同一点上由于不存在螺距误差的影响,用同一点上的

正反向定位读数差值作为此点的反向综合误差值。这个数值就是间隙补偿值,多读几组数据,得到一个平均补偿值,填入数控系统相应的参数中以消除间隙。在全行程上要求工作台或主轴箱受力均匀即弹性间隙要均匀,若在全程上最大间隙与最小间隙差值超过误差极限时,单靠数控补偿不能达到精度要求。此时应根据数据查找机械问题。如压板配合不好,润滑系统故障,丝杠定位不好等。NK3-NK2=d2-NK4-NK3=d3-NK6-NK4=d4-NK6-NK5=d5-PK2-PK1=d1+PK3-PK2=d2+PK4-PK3=d3+PK5-PK4=d4+NK2-PK1=d1-NK6-PK5=d5+

对d1+至d4+,d2-至d5-这8个数据可以称之为相对螺距误差

NK2-PK1=D1-NK3-PK1=D2-NK4-PK1=D1-NK5-PK1=D4-NK6-PK1=D2-PK2-PK1=D1+PK3-PK1=D2+PK4-PK1=D3+PK5-PK1=D4+

这9个数据可以称之为绝对螺距误差。

对同一方向定位的各定位点,由于无间隙误差,所以它们之间的定位误差可以较好地反映螺距误差。根据实测数据和精度要求进行补偿有两种方法。一种是将全程分为若干段,对每一段分别绘出补偿值,NC 在控制过程中监控各坐标运动,在相应的补偿段中加入对应的补偿值,另一种方法是规定若干个补偿点,在各个点上绘出相应的补偿量。相邻的两个补偿点间补偿量随距离线性变化,FANUC 系统通常采用第2种方法,观察间隙补偿中的1组读数,处于同一列相邻两个数字之差,即用:

(d1+)+(d1-)/2=d1　(d2+)+(d2-)/2=d2(d3+)+(d3-)/2=d3　(d4+)+(d4-)/2=d4(d5+)+(d5-)/2=d5来输入两点间估算螺距补偿读数。

设定系统螺距补偿表参数,然后将估算出的数值填入参数所规定的每个轴参考点在补偿表中的点号,补偿完毕后断电,然后送电继续观测,直至达到精度要求范围内补偿工作结束。

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