数控机床进给速度对定位精度影响的研究_张秋杰.pdf

年第期数控机床进给速度对定位精度影响的研究张秋杰，申会明，赵德球，黄勤芳（广西职业技术学院，广西 南宁 ）摘要：为提高数控机床定位精度，分析进给速度对定位精度的影响，在自主开发数控系统平台上设计实验并研究补偿算法。实验测试在常用的加工速度段内分别通过通过激光干涉仪和球杆仪测量数控机床有无误差补偿手段情况下的定位精度情况，验证补偿算法的有效性。结果表明，不同进给速度对定位精度存在影响，所采用误差补偿方法能一定程度提高机床定位精度。关键词：数控机床；进给速度；定位精度中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；基金项目：基于物联网的储备粮智能仓储管理系统研究与应用（广西职业技术学院 号 ）；新工科建设背景下智能制造专业群人才培养体系研究与实践（广西职业技术学院 号 ）作者简介：张秋杰（），男，河南焦作人，汉族，硕士研究生，讲师，研究方向：智能制造、自动化方向。随着现代市场对工业产品要求越来越高，相应对制造工业机床加工精度提出了更高要求。通过研究补偿策略而减小机床误差是提高加工精度的一种有效手段，所以进行数控机床定位误差分析、研究数控机床定位误差影响因素和补偿技术具有相当重要意义。在常用加工速度段内，本文重点研究数控机床不同进给速度时的机床定位精度情况。在自研开放式数控系统上研究误差补偿算法，通过测量数控机床螺距误差及反向间隙误差获得误差表，将补偿表写入补偿系统。控制机床运动时，将目标位置补偿值与指令输入值进行叠加后进行控制输出，实现误差补偿。通过实验对比加入补偿前后机床定位精度变化，验证误差补偿策略的有效性。补偿流程采用绝对型软件补偿法补偿定位误差，首先，将高精度位置测量仪器多次测量分析得到的误差数据均化生成绝对误差补偿表；随后，在数控系统中开辟缓存区录入存储事先获取的误差补偿表；最后，在实际指令输出时，通过查询误差补偿表并采用叠加线性插补补偿值形式实现反向间隙和螺距误差补偿。补偿实现下面以自研开放式数控机床 轴误差补偿为例，说明如何获取误差补偿表以及如何在系统中添加误差补偿表。获得数控机床反向间隙、螺距误差补偿表步骤如下：（）安装激光干涉仪、球杆仪等检测装置。（）根据实验需求编制机床运动程序，通过数控指令控制工作台按顺序定位测试点上。（）通过已安装仪器测量工作台运动时在定位点实际位置。（）计算处理实验数据，得到在不同定位点处误差值。（）进行多次测量，获得各定位点误差平均值，处理后可得到误差补偿表。图数控系统定位误差补偿表设置界面在误差补偿系统中添加补偿表的设置界面如图所DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.002内燃机与配件 示，首先选择需要进行误差补偿轴（轴），系统自动读取相关参数，如所选轴向的行程、补偿点数量等。然后再通过手动输入补偿参数或者导入经过实验测量及数据分析后得出的数控机床间隙误差补偿表和螺距误差补偿表。系统初始化后与控制器建立连接成功后读取配置文件，进行机床回零后补偿生效。在补偿后的运动中，修正机床工作台运动轨迹，实现误差补偿。激光干涉仪测量实验与分析 实验平台基于 软件平台采用 语言进行补偿功能调试及实验。搭建实验平台（见图，主要由运动控制系统与测量系统两部分构成。其中运动控制系统由伺服驱动器及自 主 研 发 的 运 动 控 制 器 组 成；测 量 系 统 由 激光干涉仪、光学镜组、环境补偿单元、数据采集 组成。测量实验对现有一台数控机床 轴进行测量，轴驱动器为华中 伺服驱动器，控制模式设置为位置控制。运动控制器；驱动器；控制电源；急停模块；数据采集；环境补偿模块；激光干涉仪；三角支架；激光测量镜组；数控机床机械平台图实验平台搭建 实验方案定位精度检验实验参照现行国家标准 中指定测量方法及国标允差值对定位误差补偿前后数控机床定位精度进行测量与评定。在机床常用加工速度段内，从进给速度 开始，在全速度段内（）以固定增量（步距 ）进行实验，从而获得全速度段内实验数据。加入反向间隙及螺距误差补偿后，重复以上步骤，获得补偿后的实验数据。）目标点（测量位置）选取根据 中所规定在 轴全行程内选取特定测量点，按程序使机床 轴运动到一系列目标点，并在各测量点停留足够时间，以便仪器能稳定测量和记录实际位置信息。让机床应按数控程序以相同的进给速度在测量点之间移动，测量点按 进行选取。其中，代表选取测量点序号；代表测量点之间距离（间距），通常全行程内测量点之间取相等间距。为直观反映滚珠丝杠螺距误差值，测量点间距选择 （螺距整数倍），测量范围 ，则每次工作台单向移动时有 个数据采集点。）检测程序 中规定被测线性轴轴线行程低于 时，每米应选取不少于个目标点，且全行程范围不少于个目标点，每个目标点正负不同方向均测量遍。为提高测量准确度减小测量误差，相同实验条件下测量次实验数据并将采集数据取平均值后进行评价。测量实验中主要实验条件参数如表所示。表轴定位精度测量实验条件参数表检测轴线轴检测元件类型滚珠丝杠理论丝杠螺距 进给速度 每个目标位置停留时间 测量点个数 进给轴越程量 越程停留时间 定位精度测量实验结果与分析将加入螺距误差与反向间隙补偿前后不同进给速度测得的正向定位误差、负向定位精度和重复定位精度绘制曲线图对比，如图所示。图全速度段内轴加入补偿前后定位精度由图可看出，单向定位精度和双向定位精度变化相对稳定，由于整个实验过程需要大量时间，环境温度变化、机床连续运行时间长短等因素也会影响定位精度测量，在图中表现为曲线的波动。经过误差补偿后，全速度段内单向定位精度和双向定位精度得到改善，将全速度段内补偿前后的双向定位精度、正向定位精度和负向定位精度实验 年第期结果取平均值之后做对比，如表所示：表全速度段内补偿前后定位精度指标平均值相关精度指标（）补偿前平均值补偿后平均值精度提升比例双向定位精度 正向定位精度 负向定位精度 图轴补偿前后全速段重复定位精度根据图得知，工作台在低速进给时，进给速度对重复定位精度造成一定程度的影响。加入定位误差补偿后重复定位精度得到改善，不仅降低重复定位误差值，而且改善低速度进给时重复定位误差波动情况，在定位误差补偿后全速度段内的重复定位精度曲线趋势平稳。球杆仪测量实验与分析 实验平台搭建如图实验平台。测量实验采用雷尼绍 无线球杆仪测量系统对现有一台数控机床 平面进行测量。工具杯；中心球；雷尼绍 无线球杆仪；中心座；中心杯图圆轮廓误差测量实验平台 实验方案实 验 方 法 参 照 现 行 国 家 标 准 ，精度评价标准参照 。选取数控机床 平面进行测量实验并将不同阶段实验测量结果进行评价与对比。进给率在常用速度段内，从圆弧进给率 开始，在全速度段内（）以固定增量（步距 ）进行实验，测量 数控机床 平面圆度相关误差。加入反向间隙及螺距误差补偿后，重复以上步骤，获得补偿后的实验数据。根据 中 所规定圆弧检验方法在 平面内进行圆轮廓误差检验，分别在顺时针方向（）与逆时针方向（）进行检验。以顺时针方向为例对测量过程中数据采集进行说明。球杆仪顺时针测试过程中转动过 ，越程（）、越程（）分别为角度越程，为使机床在球杆仪采集数据前加速运行达到设置运行进给率。为球杆仪数据采集段。逆时针方向（）数据采集过程类同不再赘述。结合数控机床、轴行程（轴行程 ，轴行程 ）与雷尼绍 无线球杆仪设备条件（球杆仪标准测量半径 、加长杆、加长杆和 加长杆）选择测量直径 。按照实验方案对 数控机床 平面进行圆轮廓误差测量，实验中主要的实验参数如表所示。表 数控机床 平面实验参数表检验项目：圆度偏差、圆滞后 名义轨迹的直径：轮廓进给率：（步距 ）被检机床的轴线（、）、检验工具的圆心（）：获取数据的方法起始角度：终止角度：越程角度：采样速率：使用的补偿：非检验轴线位置：圆轮廓误差测量实验结果与分析图 平面定位误差补偿前后圆度偏差图 平面定位误差补偿前后圆滞后内燃机与配件 将加入螺距误差与反向间隙补偿前后不同进给速度测得的逆时针圆度偏差、顺时针圆度偏差和圆滞后偏差绘制曲线图对比，如图、图所示。通过图、图对比得知，随着圆弧进给率增大，圆度偏差及圆滞后偏差值也随之增大，可见不同圆弧进给率对圆轮廓精度会造成一定影响。仅加入反向间隙和螺距误差的补偿，对圆轮廓精度的提升有限。所以在高精度的圆弧加工时，需要在低速度段内加工，并且应该对其他误差项也进行补偿，以保证加工精度。图补偿前后全速度段内反向间隙误差如图，通过对比补偿前后全速度段内反向间隙误差变化趋势，补偿后反向间隙得到相应改善。将全速度段内补偿前后的相应方向的反向间隙偏差值取算术平均值，并对比加入补偿前后变化程度，汇总结果如表所示：表全速度段内反向间隙平均值变化相关精度指标（）补偿前平均值补偿后平均值精度提升比例正向反向间隙 负向反向间隙 正向反向间隙 负向反向间隙 图 平面补偿前后比例不匹配误差趋势图如图所示，加入定位误差补偿后，改善圆弧加工过程中比例不匹配误差（比例不匹配指参与联动轴各自行程差之比），补偿前比例不匹配变化范围（，）补偿后比例不匹配变化范围（，）。结论为检验不同进给率对线性定位精度的影响、不同圆弧进给率对圆轮廓精度的影响，以及验证本文采用的反向间隙补偿策略及螺距误差补偿策略实际补偿效果，分别采用激光干涉仪法与球杆仪法进行单轴定位精度测量实验与平面圆轮廓误差检测实验。实验结果表明：（）不同进给速度对线性重复定位精度有一定影响，表现在使用低速进给时重复定位精度偏差值波动明显；（）随着圆弧进给率的增加，圆偏差及圆滞后的偏差值增大；（）所提出定位误差补偿方法能有效提高单轴定位精度，降低定位误差；（）加入螺距误差与反向间隙误差补偿后，对应的反向间隙及比例不匹配减小，对应改善圆度偏差、圆滞后，但是还存在其他影响数控机床圆轮廓精度的因素值得研究，以进一步提高机床综合性能。参考文献：丁明宇基于三维步距规的数控机床几何误差辨识研究武汉：华中科技大学，于博，于正林，顾莉栋，等数控机床定位误差的补偿研究机床与液压，：潘海鸿，张秋杰，叶文海，陈琳特种复合加工数控系统硬件模块运行状态监测组合机床与自动化加工技术，（）：夏蔚军，吴智铭，李济顺，等数控系统定位误差的测量与补偿测控技术，（）：李丙才，嵇海旭丝杠行程误差补偿技术电子机械工程，（）：中国国家标准化管理委员会 数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定北京：中国标准出版社，中国国家标准化管理委员会 数控机 床 的 圆 检 验 内 容 北 京：中 国 标 准 出 版社，中国国家标准化管理委员会 进给率、速度和插补精度检验北京：中国标准出版社，