数控机床位置精度测试方法(机床精度检测标准G代码程序)

数控机床位置精度测试与补偿实验指导书编制：孙博武汉华中数控股份有限公司2009年2月数控机床位置精度测试与补偿实验指导书2目录一、实验目的……………………………………………………………………….…………...(1)二、实验仪器设备……………………………………………………………………….…….(1)三、理论回顾…………………………………………………..……...…...…..……………..(1)1.数控机床进给传动装置的结构………………………………………….….…………..…(1)2.数控系统的三种控制方式…………………………………………………………….……..(3)3.数控机床位置精度常用的测量方法及评定标准…………………………..…….…………(4)4.定位精度测量工具和方法..…………………………………………………………….(7)5.数控机床软件补偿原理……………………………………………………..……………….(9)四、实验步骤…………………………………………………………………………………..(10)五、双向螺距补偿（选修）………………………………………………….….……………(15)六、实验思考题………………………………………………………………………….……(17)七、实验报告………………………………………………………...………………………..(18)附录一步距规的测量程序………………………………………………………………...(22)数控机床位置精度测试与补偿实验指导书3一、实验目的1．了解数控机床定位精度、重复定位精度的测量方法；2．掌握编制测量位置精度的数控程序；3．掌握数控机床误差数据的处理方法；4．掌握数控机床螺距误差和反向间隙的补偿方法，并验证补偿效果。二、实验仪器设备1．步距规、百分表、杠杆千分表、磁力表座。2．数控机床三、理论回顾1．数控机床进给传动装置的结构数控机床进给传动装置一般是由电机通过联轴器带动滚珠丝杆旋转，由滚珠丝杆螺母机构将回转运动转换为直线运动。1.1滚珠丝杆螺母机构的结构滚珠丝杆螺母机构的工作原理见图1；在丝杆1和螺母4上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来变成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。当丝杆相对螺母旋转时，丝杆的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杆和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠图1滚珠丝杆螺母机构1—丝杆2—滚珠3—回珠管4—螺母数控机床位置精度测试与补偿实验指导书4与丝杆、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管3连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。1.2进给传动误差由于滚珠丝杆副在加工和安装过程存在误差，因此滚珠丝杆副将回转运动转换为直线运动时存在以下二种误差：z螺距误差：丝杆导程的实际值与理论值的偏差。例如PⅢ级滚珠丝杆副的螺距公差为0.012mm/300mm。z反向间隙：即丝杆和螺母无相对转动时丝杆和螺母之间的最大窜动。由于螺母结构本身的游隙以及其受轴向载荷后的弹性变形，滚珠丝杆螺母机构存在轴向间隙，该轴向间隙在丝杆反向转动时表现为丝杆转动α角，而螺母未移动，则形成了反向间隙。为了保证丝杆和螺母之间的灵活运动，必须有一定的反向间隙。但反向间隙过大将严重影响机床精度。因此数控机床进给系统所使用的滚珠丝杆副必须有可靠的轴向间隙调节机构。图2为常用的双螺母螺纹调隙式结构，它用平键限制了螺母在螺母座内的转动，调整时只要拧动圆螺母就能将滚珠螺母沿轴向移动一定距离，在将反向间隙减小到规定的范围后，将其锁紧。1.3电机与丝杆的联接、传动方式图2双螺母螺文调隙式机构1、2—单螺母2—平键4—调整螺母数控机床位置精度测试与补偿实验指导书5电机与丝杆间常用的联接及传动方式有三种：z直联：用联轴器将电机轴和丝杆沿轴线联接，其传动比为1：1；该联接方式传动时无间隙；z同步带传动：同步带轮固定在电机轴和丝杆上，用同步带传递扭矩；该传动方式传动比由同步带轮齿数比确定，传动平稳，但有传动间隙；z齿轮传动：电机通过齿轮或齿轮箱将扭矩传到丝杆，传动比可根据需要确定；该方式传递扭矩大，但有传动间隙。同步带传动、齿轮传动中的间隙是产生数控机床反向间隙差值的原因之一。2．数控系统的三种控制方式2.1开环数控系统开环数控系统原理如下图3，它没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置到进给系统）。故系统结构简单，但由于无位置反馈，机床的控制精度低，容易丢步。适用于经济型数控机床。步进电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算步进电机脉冲环形分配变换功率放大图3开环系统控制原理数控机床位置精度测试与补偿实验指导书62.2半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图4所示，是在驱动装置(常用伺服电机)或丝杆上安装旋转编码器，采样旋转角度进行位置反馈，因此，其结构简单，不会丢步。但由于不是直接检测运动部件的实际移动位置，机床进给传动链的反向间隙误差和丝杆螺距误差仍然会影响机床的精度。适用于普及型（中档）数控机床。2.3全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如下图5的虚线所示。通过光栅尺，直接对运动部件的实际移动位置进行检测，消除了机床进给传动链的反向间隙误差和丝杆螺距误差对机床精度的影响。因此其控制精度高，但结构复杂，成本高，易形成振荡，调试周期长。适用于高档高精度数控机床。3．数控机床位置精度常用的测量方法及评定标准3.1定位精度和重复定位精度的确定——GB/T17421.2国家标准评定方法z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图4半闭环控制系统原理图位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈数控机床位置精度测试与补偿实验指导书7中的特定位置。-z实际位置Pij（i=0~m，j=1~n）：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。z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。z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↑或Xij↓。z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。z某一位置的单向平均位置偏差_ix↑或_ix↓：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。_ix↑=↑∑=11njijxn或_ix↓=↓∑=11njijxnz某一位置的双向平均位置偏差_ix：运动部件从二个方向趋近某一位置Pi所得图5全闭环控制系统原理图位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈数控机床位置精度测试与补偿实验指导书8的单向平均位置偏差_ix↑和_ix↓的算术平均值。_ix=（_ix↑+_ix↓）/2z某一位置的反向差值Bi：运动部件从二个方向趋近某一位置时两单向平均位置偏差之差。Bi=_ix↑—_ix↓z轴线反向差值B和轴线平均反向差值_B：运动部件沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的绝对值│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。B=max.[│Bi│]_B=∑=miiBm11z在某一位置的单向定位标准不确定度的估算值Si↑或Si↓：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。Si↑=∑=↑−↑−njiijxxn12)(11和Si↓=∑=−↓−↓−njiijxxn12)(11z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RiRi↑=4Si↑和Ri↓=4Si↓Ri=max.[2Si↑+2Si↓+│Bi│；Ri↑；Ri↓]z轴线双向重复定位精度R数控机床位置精度测试与补偿实验指导书9R=max.[Ri]z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不确定度估算值的2倍的组合来确定的范围。A=max(xi↑+2Si↑；xi↓+2Si↓)－min(xi↑-2Si↑；xi↓-2Si↓)4．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。本实验采用步距规进行测量。步距规结构如图6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）。以ZJK7532A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P010φ50φ80PiP2P1图6步距规结构图数控机床位置精度测试与补偿实验指导书10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7）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“3.3.1定位精度和重复定位精度的确定GB/T17421.2—99标准”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。5．数控机床软件补偿原理5.1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_ix↑，把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插_ix↑XPij↑0图8螺距补偿原理Pi123…n位置i（m=5）i0123…m=5循环jn=5图7标准检验循环图数控机床位置精度测试与补偿实验指导书11补指令上，如下图8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_ix↑；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_ix↑叠加到插补指令上，实际运动位置为：Pij=Pi+_ix↑，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。5.2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_B，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_B值，然后按指令进行运动。如图9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_B，后移动到Pi点；该过程CNC系统实际指令运动值L为：L=Pi+_B。反向间隙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0Pi_BXL图9反向间隙补偿数控机床位置精度测试与补偿实验指导书125.3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。四、实验步骤测量对象为ZJK7532A数控铣钻床X轴。测量方法为“步距规”测量；假定某步距规实际尺寸如表1所示。表1：步距规尺寸表位置P0P1P2P3P4P5实际尺寸mm0100.10200.20300.10400.20500.05实验步骤如下：1．在首次测量前，开机