如何提高數(shù)控機(jī)床精度

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為新一代工作母機(jī)，在機(jī)械制造中已得到廣泛的應(yīng)用，精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷提高，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度也提出了更高的要求。盡管用戶在選購(gòu)數(shù)控機(jī)床時(shí)，都十分看重機(jī)床的位置精度，特別是各軸的定位精度和重復(fù)定位精度。但是這些使用中的數(shù)控機(jī)床精度到底如何呢？

大量統(tǒng)計(jì)資料表明：65.7%以上的新機(jī)床，安裝時(shí)都不符合其技術(shù)指標(biāo)；90%使用中的數(shù)控機(jī)床處于失準(zhǔn)工作狀態(tài)。因此，對(duì)機(jī)床工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行經(jīng)常的測(cè)試是非常必要的，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高零件加工精度。

目前數(shù)控機(jī)床位置精度的檢驗(yàn)通常采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO230-2或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10931-89等。同一臺(tái)機(jī)床，由于采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，所得到的位置精度也不相同，因此在選擇數(shù)控機(jī)床的精度指標(biāo)時(shí)，也要注意它所采用的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控機(jī)床的位置標(biāo)準(zhǔn)通常指各數(shù)控軸的反向偏差和定位精度。對(duì)于這二者的測(cè)定和補(bǔ)償是提高加工精度的必要途徑。

01

反向偏差

在數(shù)控機(jī)床上，由于各坐標(biāo)軸進(jìn)給傳動(dòng)鏈上驅(qū)動(dòng)部件（如伺服電動(dòng)機(jī)、伺服液壓馬達(dá)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等）的反向死區(qū)、各機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)副的反向間隙等誤差的存在，造成各坐標(biāo)軸在由正向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為反向運(yùn)動(dòng)時(shí)形成反向偏差，通常也稱反向間隙或失動(dòng)量。

對(duì)于采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，反向偏差的存在就會(huì)影響到機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，從而影響產(chǎn)品的加工精度。如在G01切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，反向偏差會(huì)影響插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的精度，若偏差過大就會(huì)造成“圓不夠圓，方不夠方”的情形；而在G00快速定位運(yùn)動(dòng)中，反向偏差影響機(jī)床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時(shí)各孔間的位置精度降低。

同時(shí)，隨著設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，反向偏差還會(huì)隨因磨損造成運(yùn)動(dòng)副間隙的逐漸增大而增加，因此需要定期對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的反向偏差進(jìn)行測(cè)定和補(bǔ)償。

【反向偏差的測(cè)定】

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

測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)軸的反向偏差時(shí)，測(cè)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(jìn)行測(cè)量。當(dāng)采用千分表或百分表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要注意的是表座和表?xiàng)U不要伸出過高過長(zhǎng)，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)由于懸臂較長(zhǎng)，表座易受力移動(dòng)，造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，補(bǔ)償值也就不真實(shí)了。若采用編程法實(shí)現(xiàn)測(cè)量，則能使測(cè)量過程變得更便捷更精確。

例如，在三坐標(biāo)立式機(jī)床上測(cè)量X軸的反向偏差，可先將表壓住主軸的圓柱表面，然后運(yùn)行如下程序進(jìn)行測(cè)量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作臺(tái)右移

N20 X－50；工作臺(tái)左移，消除傳動(dòng)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(tái)左移

N60 X50：工作臺(tái)右移復(fù)位

N70 Z-50：Z軸復(fù)位

N80 G04 X5：暫停以便觀察

N90 M99；

需要注意的是，在工作臺(tái)不同的運(yùn)行速度下所測(cè)出的結(jié)果會(huì)有所不同。一般情況下，低速的測(cè)出值要比高速的大，特別是在機(jī)床軸負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)阻力較大時(shí)。

低速運(yùn)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較低，不易發(fā)生過沖超程（相對(duì)“反向間隙”），因此測(cè)出值較大；在高速時(shí)，由于工作臺(tái)速度較高，容易發(fā)生過沖超程，測(cè)得值偏小。

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸反向偏差量的測(cè)量方法與直線軸相同，只是用于檢測(cè)的儀器不同而已。

【反向偏差的補(bǔ)償】

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，定位精度有不少>0.02mm，但沒有補(bǔ)償功能。對(duì)這類機(jī)床，在某些場(chǎng)合下，可用編程法實(shí)現(xiàn)單向定位，清除反向間隙，在機(jī)械部分不變的情況下，只要低速單向定位到達(dá)插補(bǔ)起始點(diǎn)，然后再開始插補(bǔ)加工。插補(bǔ)進(jìn)給中遇反向時(shí)，給反向間隙值再正式插補(bǔ)，即可提高插補(bǔ)加工的精度，基本上可以保證零件的公差要求。

對(duì)于其他類別的數(shù)控機(jī)床，通常數(shù)控裝置內(nèi)存中設(shè)有若干個(gè)地址，專供存儲(chǔ)各軸的反向間隙值。當(dāng)機(jī)床的某個(gè)軸被指令改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，數(shù)控裝置會(huì)自動(dòng)讀取該軸的反向間隙值，對(duì)坐標(biāo)位移指令值進(jìn)行補(bǔ)償、修正，使機(jī)床準(zhǔn)確地定位在指令位置上，消除或減小反向偏差對(duì)機(jī)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(bǔ)償值可供使用，為了兼顧高、低速的運(yùn)動(dòng)精度，除了要在機(jī)械上做得更好以外，只能將在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的反向偏差值作為補(bǔ)償值輸入，因此難以做到平衡、兼顧快速定位精度和切削時(shí)的插補(bǔ)精度。

對(duì)于FANUC0i、FANUC18i等數(shù)控系統(tǒng)，有用于快速運(yùn)動(dòng)（G00）和低速切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（G01）的兩種反向間隙補(bǔ)償可供選用。根據(jù)進(jìn)給方式的不同，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)選擇使用不同的補(bǔ)償值，完成較高精度的加工。

將G01 切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)測(cè)得的反向間隙值A(chǔ) 輸入?yún)?shù)NO11851（G01的測(cè)試速度可根據(jù)常用的切削進(jìn)給速度及機(jī)床特性來(lái)決定），將G00測(cè)得的反向間隙值B 輸入?yún)?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(bǔ)償，應(yīng)將參數(shù)號(hào)碼1800的第四位（RBK）設(shè)定為1；若RBK設(shè)定為0，則不執(zhí)行分別指定的反向間隙補(bǔ)償。G02、G03、JOG與G01使用相同的補(bǔ)償值。

02

定位精度

數(shù)控機(jī)床的定位精度是指所測(cè)量的機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度，是數(shù)控機(jī)床有別于普通機(jī)床的一項(xiàng)重要精度，它與機(jī)床的幾何精度共同對(duì)機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要的影響，尤其對(duì)孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以從它所能達(dá)到的定位精度判出它的加工精度，所以對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償是保證加工質(zhì)量的必要途徑。

【定位精度的測(cè)定】

目前多采用雙頻激光干涉儀對(duì)機(jī)床檢測(cè)和處理分析，利用激光干涉測(cè)量原理，以激光實(shí)時(shí)波長(zhǎng)為測(cè)量基準(zhǔn)，所以提高了測(cè)試精度及增強(qiáng)了適用范圍。檢測(cè)方法如下：

安裝雙頻激光干涉儀；

在需要測(cè)量的機(jī)床坐標(biāo)軸方向上安裝光學(xué)測(cè)量裝置；

調(diào)整激光頭，使測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)軸線共線或平行，即將光路預(yù)調(diào)準(zhǔn)直；

待激光預(yù)熱后輸入測(cè)量參數(shù)；

按規(guī)定的測(cè)量程序運(yùn)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行測(cè)量；

數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出。

【定位精度的補(bǔ)償】

若測(cè)得數(shù)控機(jī)床的定位誤差超出誤差允許范圍，則必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償。常用方法是計(jì)算出螺距誤差補(bǔ)償表，手動(dòng)輸入機(jī)床CNC系統(tǒng)，從而消除定位誤差，由于數(shù)控機(jī)床三軸或四軸補(bǔ)償點(diǎn)可能有幾百上千點(diǎn)，所以手動(dòng)補(bǔ)償需要花費(fèi)較多時(shí)間，并且容易出錯(cuò)。

現(xiàn)在通過RS232接口將計(jì)算機(jī)與機(jī)床CNC控制器聯(lián)接起來(lái)，用VB編寫的自動(dòng)校準(zhǔn)軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機(jī)床同步工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度的自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)螺距誤差補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法如下：

備份CNC控制系統(tǒng)中的已有補(bǔ)償參數(shù)；

由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生進(jìn)行逐點(diǎn)定位精度測(cè)量的機(jī)床CNC程序，并傳送給CNC系統(tǒng)；

自動(dòng)測(cè)量各點(diǎn)的定位誤差；

根據(jù)指定的補(bǔ)償點(diǎn)產(chǎn)生一組新的補(bǔ)償參數(shù)，并傳送給CNC系統(tǒng)，螺距自動(dòng)補(bǔ)償完成；

重復(fù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。

根據(jù)數(shù)控機(jī)床各軸的精度狀況，利用螺距誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能和反向間隙補(bǔ)償功能，合理地選擇分配各軸補(bǔ)償點(diǎn)，使數(shù)控機(jī)床達(dá)到最佳精度狀態(tài)，并大大提高了檢測(cè)機(jī)床定位精度的效率。

定位精度是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要指標(biāo)。盡管在用戶購(gòu)選時(shí)可以盡量挑選精度高誤差小的機(jī)床，但是隨著設(shè)備投入使用時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)備磨損越厲害，造成機(jī)床的定位誤差越來(lái)越大，這對(duì)加工和生產(chǎn)的零件有著致命的影響。

采用以上方法對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的反向偏差、定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和補(bǔ)償，可以很好地減小或消除反向偏差對(duì)機(jī)床精度的不利影響，提高機(jī)床的定位精度，使機(jī)床處于最佳精度狀態(tài)，從而保證零件的加工質(zhì)量。