项目六数控机床位置精度检测与补偿

项目六数控机床位置精度检测与补偿 任务 1 项目教学单元设计 学习目标 1.掌握数控机床定位精度、重复定位精度的 测量方法 2.掌握编制测量位置精度数控程序方法 3.掌握数控机床螺距误差和反向间隙的补偿 方法，并检验补偿效果 项目六数控机床位置精度检测与补偿 教学内容 双频激光干涉仪及步矩规的原理与操作，数 控机床重复定位精度，定位精度及反向差值 的检查与误差补偿 数控机床位置精度（重复定位精度、定位精 度及轴线的反向差值）是数控机床精度的核 心 项目六数控机床位置精度检测与补偿 知识点 1 步距规与双频激光干涉仪 步距规、线纹尺、双频激光干涉仪 -用来测量数控 机床的定位精度，重复定位精度 考核一台数控机床等级的精度组成一般来讲分为三 类 1、几何精度 指影响机床加工精度的组成零部件的精度，包括 本身的尺寸、形状精度及部件装配后的位置及相互 间的运动精度，如平面度、重回度、相交度、平行 度、直线度、垂直度等 项目六数控机床位置精度检测与补偿 2、位置精度 简单的讲，位置精度就是指机床刀具趋近目标位 置的能力它是通过对测量值进行数据统计分析处 理后得出来的结果一般由定位精度、重复定位精 度及反向间隙三部分组成。

3、工作精度 通过用机床加工规定的试件，对加工后的试件进 行精度测量，评价是否符合规定的设计要求 项目六数控机床位置精度检测与补偿 定位精度： 定位精度是指实际位置与指令位置的一致程 度 ,其不一致的量值即为定位误差定位误差 包括伺服系统、检测系统、进给系统等产生 的误差，还包括移动部件导轨的几何误差等 定位误差将直接影响零件加工的精度 定位 精度的高低用定位误差的大小来衡量 项目六数控机床位置精度检测与补偿 定位误差按其出现的规律可分为两大类： (1)系统性误差 误差的大小和方向或是保持不变，或 是按一定的规律变化前者称为常值系统性误差， 后者称为变值系统性误差 此类误差一般可以通过误差补偿方法弥补 (2)随机性误差 误差的大小和方向是不规律地变化的 项目六数控机床位置精度检测与补偿 重复定位精度： 它是指在数控机床上，反复运行同一程序代码，所 得到的位置精度的一致程度重复定位精度受伺服 系统特性、进给传动环节的间隙与刚性以及摩擦特 性等因素的影响一般情况下，重复定位精度是呈 正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一 致性，是一项非常重要的精度指标 项目六数控机床位置精度检测与补偿 反向间隙 ： 在进给轴运动方向发生改变时，机械传动系 统都存在一定的间隙，这个间隙称为反向间 隙，它会造成工作台定位误差，间隙太大还 会造成系统振荡。

项目六数控机床位置精度检测与补偿 步距规 -实物长度标准器（比较对照的标准 件），用于检测数控机床、坐标测量机、影 像测量仪等精密仪器，更适用于现场校对激 光干涉仪，提高后者的测量准确 卧式步距规 立式步距规 项目六数控机床位置精度检测与补偿 立卧两用步距规 圆柱步距规 项目六数控机床位置精度检测与补偿 步距规，也叫节距规，阶梯规 由一系列平 行平面构成的多尺度端面量具可由一系列 量块按一定间距叠制成，也可以由整体加工 而成 自制步距规 项目六数控机床位置精度检测与补偿 步距规是一种高精度量具，不仅但可以检验 数控机床的 定位精度 ，还可以检验 三座标 测 量机的位移精度步距规的工作量块有钢质 和陶瓷两种因钢质量块易生锈不易养护且 不耐磨损，绝大多数客户选用 陶瓷量块 步距 规现新制定的陶瓷 量块 标准已列入 国家标 准 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 线纹尺 -以线纹尺刻线为标准，与运动部件移动 的距离进行比较测出偏差 该方法解决了任意点直 线位置精度的测量，但测量装置安装受线纹尺规格 （ 1m）和机床结构限制，测量范围小，虽然可采 用接长法扩大测量范围，但会引入新的测量误差， 使测量精度和效率大大下降，同时该方法对每一点 偏差都要进行方向判别和计算，极易带入粗大误差。

一般用于较低精度、较小范围的直线位置精度测量 项目六数控机床位置精度检测与补偿 粗大误差：在一定的测量条件下，超出规定条件下预期的 误差称为粗大误差，一般地，给定一个显著性的水平，按一 定条件分布确定一个临界值，凡是超出临界值范围的值，就 是粗大误差，它又叫做粗误差或寄生误差 产生粗大误差的主要原因如下：客观原因：电压突变、 机械冲击、外界震动、电磁（静电）干扰、仪器故障等引起 了测试仪器的测量值异常或被测物品的位置相对移动，从而 产生了粗大误差；主观原因：使用了有缺陷的量具；操作 时疏忽大意；读数、记录、计算的错误等另外，环境条件 的反常突变因素也是产生这些误差的原因 项目六数控机床位置精度检测与补偿 采用精密线纹尺（每毫米刻有细线）与读数 显微镜（将每毫米光学细分为 0.001mm）， 以线纹尺刻线为标准，与运动部件移动的距 离进行比较测出偏差 如图二，将线纹尺安 装在被测直线方向上，读数显微镜固定在移 动部件上，部件在位置读数显微镜读数， 部件移动至目标位置读数显微镜再次读数， 用两次读数差与移动距离进行比较 线纹尺 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 技术规格 规格 1: 50mm 100mm 200mm 400mm 500mm 分格值 :1mm (国标号 :JJG73-2005) 规格 2: 30mm 分格值： 0.1mm 10mm 分格值： 0.1mm 10mm 分格值： 0.05mm 1mm 分格值： 0.01mm 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 读数显微镜 项目六数控机床位置精度检测与补偿 双频激光干涉仪 -通过光路干涉原理进行测试。

精 度优于百万分之 0.5mm 主要用来测试机床的位置精度，也可以测试直线 度、垂直度等 在使用激光干涉仪前，先用步距规 校对一下激光干涉仪，然后再用校对过的激光干涉 仪对数控机床进行测量和修正，将会大大提高数控 机床定位精度此方法简便易行，切实有效因为 单独使用激光干涉仪在许多现场环境下往往不够准 确 项目六数控机床位置精度检测与补偿 激光干涉仪一般采用的是氦氖激光器 ， 其名义 波 长 为 0.633 微米 （ 1 微米 =1 10-6 米 ） 测量系统组成 -激光头 、 遥控装置 、 计算机 、 显示器 、 空气传感器 、 温度传感器及图形绘 制仪等 项目六数控机床位置精度检测与补偿 其原理是：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 ， 即一个输入波峰与另一个输入波谷重叠时 ， 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 。

项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 定位精度测量工具和方法 工具 -测量定位精度和重复定位精度的仪 器是激光干涉仪、线纹尺、步距规其中因 用步距规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（ 5 15个），测量间距按下式确定： 项目六数控机床位置精度检测与补偿 某测量点的实际距离 Pi =i P+k 式中， P-为测量间距（步矩），是整数； i -目标位置序号 K-在各目标位置时取不同的值，是小 数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 项目六数控机床位置精度检测与补偿 出厂检验报告已标出步距规各工作尺寸偏差 值，处理测量结果时应将测得值加上工作尺 寸的偏差值（带正负号） 量块精度 : (0.001+L/150000)mm* L 为检测长度 (mm) 项目六数控机床位置精度检测与补偿 本实验采用步距规进行测量 自制步距规结构图 步距规指以一定距离为周期重复出现的测距误差 项目六数控机床位置精度检测与补偿 实验所用步距规尺寸 P1， P2， ， Pi按 100mm间 距设计，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）。

以加工中心 X轴定位精度的测量为例 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 项目六数控机床位置精度检测与补偿 机床控制盘上用程序控制工作台按标准循环 图（见图 6-2）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 项目六数控机床位置精度检测与补偿 图 6-2 标准检验循环图 位置 i（ m=5） i 0 1 2 3 m=5 循环 j j=1,2,.n 图 6-2标准检验循环图 项目六数控机床位置精度检测与补偿 最后要按国家标准 GB/T17421.22000评定 方法”对数据进行处理，可确定该轴线的定 位精度和重复定位精度 项目六数控机床位置精度检测与补偿 目标位置 Pi：运动部件编程时要达到的位置，下标 i 表示沿轴线选择的目标位置中的第 i个位置 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，实际测得 的位置 (厂家给定值 )。

位置偏差 Xij： 运动部件到达的实际位置与其目标位置之差， Xij=Pij Pi 项目六数控机床位置精度检测与补偿 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“ ”表示从负向趋近所得参数，如 Xij-正向 偏差、 Xij -反向偏差 双向趋近：运动部件从两个方向沿轴线或绕轴线趋 近某目标位置的一系列测量 项目六数控机床位置精度检测与补偿 两个方向沿轴线 轴线 P 项目六数控机床位置精度检测与补偿 两个方向绕轴线 P 项目六数控机床位置精度检测与补偿 知识点 2 传动误差分析及测量补偿 1.因滚珠丝杆副而产生的进给传动误差 有两种： a.螺距误差 -丝杠导程的实际值与理论值的 偏差 b. 反向间隙 -丝杠与螺母无相对转动时，丝 杠与螺母之间的轴线窜动 项目六数控机床位置精度检测与补偿 为什么叫反向间隙？丝杠反向转动时，丝杠转动一 角度 ，而螺母不直线移动，直到把轴向窜动量走 完螺母才会移动只是在反向时才会有的现象 -所 以叫反向间隙 消除（减小）反向间隙的方法： 双螺母垫片调隙式结构 双螺母螺纹调隙式结构 双螺母齿差调隙式结构 项目六数控机床位置精度检测与补偿 2.因电动机丝杠连接及转动而产生的间隙误 差 电动机与丝杠的连接方式通常有三种 : 联轴器 -传动比 1:1 特点是 :具有较大的扭转 刚度；传动机构本身无间隙，传动精度高； 而且结构简单，安装、调整方便。

项目六数控机床位置精度检测与补偿 同步带传动 -传动比由同步带的齿数比确定， 有间隙 项目六数控机床位置精度检测与补偿 具有带传动和链传动的共同优点，与齿轮传 动相比它结构更简单，制造成本更低，安装 调整更方便并且传动不打滑、不需要大的 张紧力；传动效率可以达到 9899.5%，最高 线速度可以达到 80m/s，故广泛用于一般数 控机床和高速、高精度的数控机床传动 项目六数控机床位置精度检测与补偿 齿轮传动 -传动比由齿轮副的齿数比确定， 有间隙，传递扭矩大 项目六数控机床位置精度检测与补偿 优点： 可以降低丝杠、工作台的惯量在系统中所 占的比重，提高进给系统的快速性 可以充分利 用伺服电动机高转速、低扭矩的性能，使其变为低 转速、大扭矩输出，获得更大的进给驱动力 在 开环步进系统中还可起到机械、电气间的匹配作用， 使数控系统的分辨率和实际工作台的最小移动单位 统一 进给电动机和丝杠中心可以不在同一直线 上，布置灵活 项目六数控机床位置精度检测与补偿 缺点： 传动装置结构复杂，降低传动效率，增加 噪声 传动级数的增加必将带来传动部件的间隙 和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能 传动 齿轮副有间隙存在，在开环、半闭环系统中，将影 响加工精度；在闭环系统中，由于位置反馈的作用， 间隙产生的位置滞后量虽然能通过系统的闭环自动 调节得到补偿，但它将带来反向时冲击，甚至导致 系统产生振荡而影响系统的稳定。

项目六数控机床位置精度检测与补偿 3.因伺服机构的类型不同而产生的间隙误差 伺服机构分为三种类型： 开环系统 -在开环系统中，不进行位置和速度的检测， 电动机将依据电脉冲驱动进给运动达到期望的位置 开环系统采用步进电动机作为动力源，并且假定只 要输入一定数量的电脉冲，机床就有相应的位移量 由于没有检测元器件，构成这样的系统成本较低， 但是它的缺点是一旦产生误差，就会逐渐积累所 以间隙补偿效果明显 项目六数控机床位置精度检测与补偿 开环伺服系统的结构 项目六数控机床位置精度检测与补偿 特点：结构简单，步进驱动、步进电机，无位置速度反馈 步进电机 -步进 电机 是将电 脉冲 信号转变为角位移或线位移 的开环控制元步进电机件在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的 频率 和脉冲数，而不受负载 变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动 步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距 角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目的 ； 同时可以通过控制 脉冲频率 来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。

项目六数控机床位置精度检测与补偿 全闭环系统为了测量直线进给运动，沿导轨移动方 向安装直线位移传感器，直接测量工作台的位移 项目六数控机床位置精度检测与补偿 特点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有直线 位移、速度检测装置，价格贵，调试困难， 间隙补偿效果不 明显 伺服电机 -伺服电机（ servo motor ）是指在伺服系统中 控制 机械元件 运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将 电压 信 号转化为 转矩 和转速以驱动控制对象伺服 电机 转子转速受 输入 信号 控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执 行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特 性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速 度输出分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是， 当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速 下降 项目六数控机床位置精度检测与补偿 而半闭环系统则把角位移传感器安装在滚珠 丝杠端部，测量其角位移，显然，这时传感 器测出角位移的值不能反映滚珠丝杠本身的 行程误差及其变形，以及滚珠丝杠副以后传 动链所产生的那部分工作台的位移误差。

项目六数控机床位置精度检测与补偿 特点：精度较高，采用交流或直流伺服驱动及 伺服电机，有角位移、角速度检测装置，结 构紧凑， 间隙补偿效果比较明显 项目六数控机床位置精度检测与补偿 4.数控机床位置精度的测量方法及评定标准 GB/T17421.22000 项目六数控机床位置精度检测与补偿 知识点 3. 1. 螺距补偿 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 = ix _ ix 1 1 n j ijxn 项目六数控机床位置精度检测与补偿 把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补 指令上，如下图所示，指令要求沿 Z 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 ix 项目六数控机床位置精度检测与补偿 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 : 使误差部分抵消，实现误差的补偿 iij iP P x 项目六数控机床位置精度检测与补偿 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，由于反向间隙的存在，会引起伺服电机的 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 标反向运动值，然后按指令进行运动 iL P B 项目六数控机床位置精度检测与补偿 iL P B 项目六数控机床位置精度检测与补偿 某一位置的单向平均位置偏差 或 ( )： 运动部件 n次单向趋近某一位置 Pi所得的位置偏差的算术平 均值， 即 = , = 项目六数控机床位置精度检测与补偿 某一位置的双向平均位置偏差：运动部件从 两个方向趋近某一位置 Pi所得的单向平均位 置偏差 和 的算术平均值 , 即 = （ + ） /2 项目六数控机床位置精度检测与补偿 某一位置的反向差值 Bi：运动部件从两个方 向趋近某一位置时两单向平均位置偏差之差 值， 即 Bi= - 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 在 制作 准步距规过程中，应进行多次时效处理，最 好进行一次冷处理，将其残余应力降低到最低程度， 以提高其尺寸稳定性。

制成后，用 工具显微镜 一类 的高分辨率 测量仪器 测出其同侧相邻端面的距离 （精确到 0.001mm），并将测出值刻在准步距规相 应位置上如有条件，最好用三坐标测量仪测取相 邻侧端面间的距离 项目六数控机床位置精度检测与补偿 很多生产厂家的现场条件属非标准环境，达 不到上述标准环境条件要求，其操作人员的 熟练程度和应对条件变化的处置能力也有差 距，其检测结果的准确性就值得怀疑了有 些使用者用同一台激光干涉仪检测同一台数 控机床，上午检测和下午检测的结果竟相差 10m以上，不知该如何处理 项目六数控机床位置精度检测与补偿 有些计量部门曾用激光干涉仪对测长机、三坐标测量机和数控机床的坐 标精度进行检定 /校准时，也发现其测量结果与采用实物标准器（如二等 标准线纹尺、二等量块、精密步距规等）进行校准时的测量结果有很大 差别，数值相差甚至大到 10 20m/1000mm原因可能是多方面的， 既有环境影响因素，如温度变化梯度较大，也有人的操作方式不当等影 响因素，甚至还可能有仪器本身的温度传感器不够稳定或帖附位置不恰 当等因素影响所以在激光干涉仪使用中，有必要先用步距规进行校对 校对方法很简单：把步距规当做被检测对象，用激光干涉进行检测，如 果测量结果与步距规实际值一致，说明激光干涉仪在本环境条件和使用 方式下可准确使用。

如果测量结果与步距规实际值相差较大，需对激光 干涉仪进行误差修正，然后再用修正过的激光干涉仪再次测量步距规， 直至测量结果与步距规实际值一致或误差小到可以忽略 项目六数控机床位置精度检测与补偿 三坐标测量机 项目六数控机床位置精度检测与补偿 作业 1. 。