如何提高數(shù)控機床的精度

目前數(shù)控機床位置精度的檢驗通常采用國際標準ISO230-2或國家標準B10931-89等。同一臺機床，由于采用的標準不同，所得到的位置精度也不相同，因此在選擇數(shù)控機床的精度指標時，也要注意它所采用的標準。數(shù)控機床的位置標準通常指各數(shù)控軸的反向偏差和定位精度。對于這二者的測定和補償是提高加工精度的必要途徑。

一、反向偏差

在數(shù)控機床上，由于各坐標軸進給傳動鏈上驅動部件(如伺服電動機、伺服液壓馬達和步進電動機等)的反向死區(qū)、各機械運動傳動副的反向間隙等誤差的存在，造成各坐標軸在由正向運動轉為反向運動時形成反向偏差，通常也稱反向間隙或失動量。對于采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床，反向偏差的存在就會影響到機床的定位精度和重復定位精度，從而影響產品的加工精度。如在G01切削運動時，反向偏差會影響插補運動的精度，若偏差過大就會造成“圓不夠圓，方不夠方”的情形；而在G00快速定位運動中，反向偏差影響機床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時各孔間的位置精度降低。同時，隨著設備投入運行時間的增長，反向偏差還會隨因磨損造成運動副間隙的逐漸增大而增加，因此需要定期對機床各坐標軸的反向偏差進行測定和補償。

反向偏差的測定

反向偏差的測定方法：在所測量坐標軸的行程內，預先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準，再在同一方向給予一定移動指令值，使之移動一段距離，然后再往相反方向移動相同的距離，測量停止位置與基準位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置分別進行多次測定(一般為七次)，求出各個位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向偏差測量值。在測量時一定要先移動一段距離，否則不能得到正確的反向偏差值。

測量直線運動軸的反向偏差時，測量工具通常采有千分表或百分表，若條件允許，可使用雙頻激光干涉儀進行測量。當采用千分表或百分表進行測量時，需要注意的是表座和表桿不要伸出過高過長，因為測量時由于懸臂較長，表座易受力移動，造成計數(shù)不準，補償值也就不真實了。若采用編程法實現(xiàn)測量，則能使測量過程變得更便捷更精確。

例如，在三坐標立式機床上測量X軸的反向偏差，可先將表壓住主軸的圓柱表面，然后運行如下程序進行測量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作臺右移

N20 X－50；工作臺左移，消除傳動間隙

N30 G04 X5；暫停以便觀察

N40 Z50；Z軸抬高讓開

N50 X-50：工作臺左移

N60 X50：工作臺右移復位

N70 Z-50：Z軸復位

N80 G04 X5：暫停以便觀察

N90 M99；

需要注意的是，在工作臺不同的運行速度下所測出的結果會有所不同。一般情況下，低速的測出值要比高速的大，特別是在機床軸負荷和運動阻力較大時。低速運動時工作臺運動速度較低，不易發(fā)生過沖超程(相對“反向間隙”)，因此測出值較大；在高速時，由于工作臺速度較高，容易發(fā)生過沖超程，測得值偏小。

回轉運動軸反向偏差量的測量方法與直線軸相同，只是用于檢測的儀器不同而已。

反向偏差的補償

國產數(shù)控機床，定位精度有不少>0.02mm，但沒有補償功能。對這類機床，在某些場合下，可用編程法實現(xiàn)單向定位，清除反向間隙，在機械部分不變的情況下，只要低速單向定位到達插補起始點，然后再開始插補加工。插補進給中遇反向時，給反向間隙值再正式插補，即可提高插補加工的精度，基本上可以保證零件的公差要求。

對于其他類別的數(shù)控機床，通常數(shù)控裝置內存中設有若干個地址,專供存儲各軸的反向間隙值。當機床的某個軸被指令改變運動方向時，數(shù)控裝置會自動讀取該軸的反向間隙值，對坐標位移指令值進行補償、修正，使機床準確地定位在指令位置上，消除或減小反向偏差對機床精度的不利影響。

一般數(shù)控系統(tǒng)只有單一的反向間隙補償值可供使用，為了兼顧高、低速的運動精度，除了要在機械上做得更好以外，只能將在快速運動時測得的反向偏差值作為補償值輸入，因此難以做到平衡、兼顧快速定位精度和切削時的插補精度。

對于FANUC0i、FANUC18i等數(shù)控系統(tǒng)，有用于快速運動(G00)和低速切削進給運動(G01)的兩種反向間隙補償可供選用。根據進給方式的不同，數(shù)控系統(tǒng)自動選擇使用不同的補償值，完成較高精度的加工。

將G01切削進給運動測得的反向間隙值A 輸入參數(shù)NO11851(G01的測試速度可根據常用的切削進給速度及機床特性來決定)，將G00測得的反向間隙值B 輸入參數(shù)NO11852。需要注意的是，若要數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行分別指定的反向間隙補償，應將參數(shù)號碼1800的第四位(RBK)設定為1；若RBK設定為0，則不執(zhí)行分別指定的反向間隙補償。G02、G03、JOG與G01使用相同的補償值。

二、定位精度

數(shù)控機床的定位精度是指所測量的機床運動部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運動所能達到的位置精度，是數(shù)控機床有別于普通機床的一項重要精度，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產生重要的影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。一臺數(shù)控機床可以從它所能達到的定位精度判出它的加工精度，所以對數(shù)控機床的定位精度進行檢測和補償是保證加工質量的必要途徑。

定位精度的測定

目前多采用雙頻激光干涉儀對機床檢測和處理分析，利用激光干涉測量原理，以激光實時波長為測量基準，所以提高了測試精度及增強了適用范圍。檢測方法如下：

a. 安裝雙頻激光干涉儀；

b. 在需要測量的機床坐標軸方向上安裝光學測量裝置；

c. 調整激光頭，使測量軸線與機床移動軸線共線或平行，即將光路預調準直；

d. 待激光預熱后輸入測量參數(shù)；

e. 按規(guī)定的測量程序運動機床進行測量；

f. 數(shù)據處理及結果輸出。

定位精度的補償

若測得數(shù)控機床的定位誤差超出誤差允許范圍，則必須對機床進行誤差補償。常用方法是計算出螺距誤差補償表，手動輸入機床CNC系統(tǒng)，從而消除定位誤差，由于數(shù)控機床三軸或四軸補償點可能有幾百上千點，所以手動補償需要花費較多時間，并且容易出錯。

現(xiàn)在通過RS232接口將計算機與機床CNC控制器聯(lián)接起來，用VB編寫的自動校準軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機床同步工作，實現(xiàn)對數(shù)控機床定位精度的自動檢測及自動螺距誤差補償，其補償方法如下：

g. 備份CNC控制系統(tǒng)中的已有補償參數(shù)；

h. 由計算機產生進行逐點定位精度測量的機床CNC程序，并傳送給CNC系統(tǒng)；

i. 自動測量各點的定位誤差；

j. 根據指定的補償點產生一組新的補償參數(shù)，并傳送給CNC系統(tǒng)，螺距自動補償完成；

k. 重復c.進行精度驗證。

根據數(shù)控機床各軸的精度狀況，利用螺距誤差自動補償功能和反向間隙補償功能，合理地選擇分配各軸補償點，使數(shù)控機床達到最佳精度狀態(tài)，并大大提高了檢測機床定位精度的效率。

定位精度是數(shù)控機床的一個重要指標。盡管在用戶購選時可以盡量挑選精度高誤差小的機床，但是隨著設備投入使用時間越長，設備磨損越厲害，造成機床的定位誤差越來越大，這對加工和生產的零件有著致命的影響。采用以上方法對機床各坐標軸的反向偏差、定位精度進行準確測量和補償，可以很好地減小或消除反向偏差對機床精度的不利影響，提高機床的定位精度，使機床處于最佳精度狀態(tài)，從而保證零件的加工質量。

目前數(shù)控機床位置精度的檢驗通常采用國際標準ISO230-2或國家標準B10931-89等。同一臺機床，由于采用的標準不同，所得到的位置精度也不相同，因此在選擇數(shù)控機床的精度指標時，也要注意它所采用的標準。數(shù)控機床的位置標準通常指各數(shù)控軸的反向偏差和定位精度。對于這二者的測定和補償是提高加工精度的必要途徑。

一、反向偏差

在數(shù)控機床上，由于各坐標軸進給傳動鏈上驅動部件(如伺服電動機、伺服液壓馬達和步進電動機等)的反向死區(qū)、各機械運動傳動副的反向間隙等誤差的存在，造成各坐標軸在由正向運動轉為反向運動時形成反向偏差，通常也稱反向間隙或失動量。對于采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床，反向偏差的存在就會影響到機床的定位精度和重復定位精度，從而影響產品的加工精度。如在G01切削運動時，反向偏差會影響插補運動的精度，若偏差過大就會造成“圓不夠圓，方不夠方”的情形；而在G00快速定位運動中，反向偏差影響機床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時各孔間的位置精度降低。同時，隨著設備投入運行時間的增長，反向偏差還會隨因磨損造成運動副間隙的逐漸增大而增加，因此需要定期對機床各坐標軸的反向偏差進行測定和補償。

反向偏差的測定

反向偏差的測定方法：在所測量坐標軸的行程內，預先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準，再在同一方向給予一定移動指令值，使之移動一段距離，然后再往相反方向移動相同的距離，測量停止位置與基準位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置分別進行多次測定(一般為七次)，求出各個位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向偏差測量值。在測量時一定要先移動一段距離，否則不能得到正確的反向偏差值。

測量直線運動軸的反向偏差時，測量工具通常采有千分表或百分表，若條件允許，可使用雙頻激光干涉儀進行測量。當采用千分表或百分表進行測量時，需要注意的是表座和表桿不要伸出過高過長，因為測量時由于懸臂較長，表座易受力移動，造成計數(shù)不準，補償值也就不真實了。若采用編程法實現(xiàn)測量，則能使測量過程變得更便捷更精確。

例如，在三坐標立式機床上測量X軸的反向偏差，可先將表壓住主軸的圓柱表面，然后運行如下程序進行測量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作臺右移

N20 X－50；工作臺左移，消除傳動間隙

N30 G04 X5；暫停以便觀察

N40 Z50；Z軸抬高讓開

N50 X-50：工作臺左移

N60 X50：工作臺右移復位

N70 Z-50：Z軸復位

N80 G04 X5：暫停以便觀察

N90 M99；

需要注意的是，在工作臺不同的運行速度下所測出的結果會有所不同。一般情況下，低速的測出值要比高速的大，特別是在機床軸負荷和運動阻力較大時。低速運動時工作臺運動速度較低，不易發(fā)生過沖超程(相對“反向間隙”)，因此測出值較大；在高速時，由于工作臺速度較高，容易發(fā)生過沖超程，測得值偏小。

回轉運動軸反向偏差量的測量方法與直線軸相同，只是用于檢測的儀器不同而已。

反向偏差的補償

國產數(shù)控機床，定位精度有不少>0.02mm，但沒有補償功能。對這類機床，在某些場合下，可用編程法實現(xiàn)單向定位，清除反向間隙，在機械部分不變的情況下，只要低速單向定位到達插補起始點，然后再開始插補加工。插補進給中遇反向時，給反向間隙值再正式插補，即可提高插補加工的精度，基本上可以保證零件的公差要求。

對于其他類別的數(shù)控機床，通常數(shù)控裝置內存中設有若干個地址,專供存儲各軸的反向間隙值。當機床的某個軸被指令改變運動方向時，數(shù)控裝置會自動讀取該軸的反向間隙值，對坐標位移指令值進行補償、修正，使機床準確地定位在指令位置上，消除或減小反向偏差對機床精度的不利影響。

一般數(shù)控系統(tǒng)只有單一的反向間隙補償值可供使用，為了兼顧高、低速的運動精度，除了要在機械上做得更好以外，只能將在快速運動時測得的反向偏差值作為補償值輸入，因此難以做到平衡、兼顧快速定位精度和切削時的插補精度。

對于FANUC0i、FANUC18i等數(shù)控系統(tǒng)，有用于快速運動(G00)和低速切削進給運動(G01)的兩種反向間隙補償可供選用。根據進給方式的不同，數(shù)控系統(tǒng)自動選擇使用不同的補償值，完成較高精度的加工。

將G01切削進給運動測得的反向間隙值A 輸入參數(shù)NO11851(G01的測試速度可根據常用的切削進給速度及機床特性來決定)，將G00測得的反向間隙值B 輸入參數(shù)NO11852。需要注意的是，若要數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行分別指定的反向間隙補償，應將參數(shù)號碼1800的第四位(RBK)設定為1；若RBK設定為0，則不執(zhí)行分別指定的反向間隙補償。G02、G03、JOG與G01使用相同的補償值。

二、定位精度

數(shù)控機床的定位精度是指所測量的機床運動部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運動所能達到的位置精度，是數(shù)控機床有別于普通機床的一項重要精度，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產生重要的影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。一臺數(shù)控機床可以從它所能達到的定位精度判出它的加工精度，所以對數(shù)控機床的定位精度進行檢測和補償是保證加工質量的必要途徑。

定位精度的測定

目前多采用雙頻激光干涉儀對機床檢測和處理分析，利用激光干涉測量原理，以激光實時波長為測量基準，所以提高了測試精度及增強了適用范圍。檢測方法如下：

a. 安裝雙頻激光干涉儀；

b. 在需要測量的機床坐標軸方向上安裝光學測量裝置；

c. 調整激光頭，使測量軸線與機床移動軸線共線或平行，即將光路預調準直；

d. 待激光預熱后輸入測量參數(shù)；

e. 按規(guī)定的測量程序運動機床進行測量；

f. 數(shù)據處理及結果輸出。

定位精度的補償

若測得數(shù)控機床的定位誤差超出誤差允許范圍，則必須對機床進行誤差補償。常用方法是計算出螺距誤差補償表，手動輸入機床CNC系統(tǒng)，從而消除定位誤差，由于數(shù)控機床三軸或四軸補償點可能有幾百上千點，所以手動補償需要花費較多時間，并且容易出錯。

現(xiàn)在通過RS232接口將計算機與機床CNC控制器聯(lián)接起來，用VB編寫的自動校準軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機床同步工作，實現(xiàn)對數(shù)控機床定位精度的自動檢測及自動螺距誤差補償，其補償方法如下：

g. 備份CNC控制系統(tǒng)中的已有補償參數(shù)；

h. 由計算機產生進行逐點定位精度測量的機床CNC程序，并傳送給CNC系統(tǒng)；

i. 自動測量各點的定位誤差；

j. 根據指定的補償點產生一組新的補償參數(shù)，并傳送給CNC系統(tǒng)，螺距自動補償完成；

k. 重復c.進行精度驗證。

根據數(shù)控機床各軸的精度狀況，利用螺距誤差自動補償功能和反向間隙補償功能，合理地選擇分配各軸補償點，使數(shù)控機床達到最佳精度狀態(tài)，并大大提高了檢測機床定位精度的效率。

定位精度是數(shù)控機床的一個重要指標。盡管在用戶購選時可以盡量挑選精度高誤差小的機床，但是隨著設備投入使用時間越長，設備磨損越厲害，造成機床的定位誤差越來越大，這對加工和生產的零件有著致命的影響。采用以上方法對機床各坐標軸的反向偏差、定位精度進行準確測量和補償，可以很好地減小或消除反向偏差對機床精度的不利影響，提高機床的定位精度，使機床處于最佳精度狀態(tài)，從而保證零件的加工質量。