数控系统精度控制方法

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1、数控机床数控机床 位置精度检测与补偿位置精度检测与补偿1内容安排I. 数控机床精度介绍II.激光干涉仪介绍III.实例讲解23一、数控机床的精度 数控机床正在向高精度化方向发展 ，数控机床精度的提高日益为人们所重 视。本课主要介绍数控机床的精度标准 和提高数控机床精度措施的基本概念。 并重点介绍数控机床的精度检测项目和 评定方法。41.1 概 述 1.1.1 机床精度的基本概念 工件的加工精度是指加工后的几何参数(尺寸、形 状和表面相互位置)与理想几何参数符合的程度。 精度的高低用误差的大小来表达。误差是指实际值 与理想值之间的差值，误差愈小，则精度愈高。工 件的加工精度用尺寸精度、形状精度和

2、位置精度三 项指针来衡量。 在机械加工中，工件和刀具直接或通过夹具安装在 机床上，工件的加工精度主要取决于工件和刀具在 切削成形运动过程中相互位置的正确程度。 51.1.2 数控机床精度的主要检测项目 1. 几何精度 机床的几何精度是指机床的主要运动部件及其运动轨迹的 形状精度和相对位置精度。它对工件的加工精度有直接影 响，因而是衡量机床质量的基本指标。几何精度通常在运 动部件不动或低速运动的条件下检查，其中主要包括： (1) 导轨的直线度 (2) 导轨或主要运动部件运动基准间的相对位置精度 (3) 主轴的回转精度 2. 定位精度 机床的定位精度是指其主要运动部件沿某一坐标轴方向， 向预定的目

3、标位置运动时所达到的位置的精度。 3. 工作精度 机床的工作精度是机床在实际切削加工条件下的一项综合 考核。 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。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

4、变化的。 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。 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 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

5、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。 111.2 数控机床的定位精度 1.2.1 定位精度的基本概念 定位精度的高低用定位误差的大小来衡量。按国家 标准规定，对数控机床定位精度采用统计检验方法 确定。 1. 定位误差的统计检验方法 (1) 系统性误差 (2) 随

6、机性误差 2. 定位精度的确定 定位精度主要用以下三项指标表示： (1)定位精度 (2)重复定位精度 (3)反向差值 3. 实际检测中定位精度的计算121.2.2 定位精度的检测 数控机床的定位精度一般采 用刻线基准尺和读数显微镜 、激光干涉仪、光栅、感应 同步器等测量工具进行检测 。 利用刻线基准尺和读数显微 镜的测量原理见图8.3(a)。 较高精度的数控机床常用双 频激光干涉仪测量定位精度 。其测量原理见图8.3(b)。 图8.4为激光干涉仪测量系统 的原理图。 138.2.3 数控机床定位精度的评定 按国家标准GBl093189“数字控制机床位置精度的评定方法” 的规定，数控坐标轴定位精

7、度的评定项目有以下三项： 轴线的重复定位精度R； 轴线的定位精度A； 轴线的反向差值B。 检测时，在各坐标轴上选择若干测点，在每个测点位置上，使 移动部件按正、反两个方向移动趋近。测定定位误差。 用图表示的检测结果如图8.5所示。148.3 数控机床定位精度分析和提高措施 8.3.1 开环系统的定位精度分析 在开环伺服系统中，指令脉冲经脉冲分配器、功率放大器 、步进电动机、减速齿轮、滚珠丝杠螺母副转换为机床工 作台(或刀架)的移动。 在机床使用过程中，定位精度进一步受到负载变化、振动 、热变形、机床导轨和丝杠螺母副的磨损以及数控装置组 件特性变化等的影响。其中，主要的影响因素有下列各项 。 1

8、. 步进电动机的误差 (1)步进电动机的步距角误差 (2)步进电动机的动态误差 (3)步进电动机的起停误差 2. 机械传动部分的误差 (1)齿轮副的传动误差及传动间隙 (2)滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙 158.3.1 开环系统的定位精度分析 3. 导轨副的误差 当导轨副的导轨面存在直线度误差、平面度误差、两导轨 间的平行度误差以及滚动体存在形状、尺寸误差时都会使 运动件不能沿给定方向作直线运动，使导轨副的运动件偏 离给定方向运行；或产生运动轨迹的不直线性，使运动件 颠摆(上、下摆动)或摇摆(水平摆动)，这就产生了导向误差 ，直接影响了定位精度。 4. 机械传动部分的受力变形 由于负载的

9、变化(包括切削力、摩擦力以及加减速过程中的 惯性力等)会引起弹性变形量的变化，造成移动部件的定位 误差以及反向时的失动量。 5. 机械进给部分的热变形 数控机床由于机动时间长，由摩擦温升引起的热变形常是 定位误差的主要组成部分。其中由丝杠和螺母相对运动摩 擦引起的温升使丝杠产生的热伸长常会严重影响定位精度 。168.3.2 失动量的来源和消除措施失动是指工作台或刀架反向移动时 的位移损失。在开环系统中，反向 差值B反映了失动量的大小。 失动量的来源可用图8.6为例说明 。 为了减少失动量，可以从以下几个 方面采取措施： (1)从产生失动量的根源上采取措 施。 减小、消除各种机械间 隙，采用各种

10、消除间隙的结 构。装配时预加载荷。 减少丝杠的弹性变形。 增大轴径可有效地减少变形 。 (2)减少相对运动件之间的摩擦力 。 (3)对于点位控制系统可以采用单 方向趋近法。 (4)失动量中的常值系统性误差部 分，可以通过误差补偿的方法消 除或减少。178.3.3 全死循环控制系统的定位精度分析 全死循环控制系统由于在工作台上安装了位置检测组件，把位 移信号反馈到输入端并与输入信号相比较，实现对工作台的反 馈控制，因而机械传动系统各部分的误差对工作台的定位精度 没有直接关系，定位误差主要取决于位置检测系统的误差。它 主要包括有检测组件本身的误差，如分辨率、线性度等，以及 由于检测组件的安装、调整

11、所造成的误差。 全死循环控制系统中的失动量，虽然不直接影响定位精度，但 过大的失动量会造成伺服系统的动态不稳定和振荡，使系统性 能下降。一般死循环控制系统中，轮廓加工机床的失动量应控 制到小于或等于4m，点位控制系统允许到0.010.02mm。 半死循环控制系统由于丝杠螺母副到工作台之间的传动链不在 反馈控制环内，该部分的各种误差与开环控制系统一样，会影 响定位精度。188.3.4 提高定位精度的措施定位误差补偿 可以采用以下两种基本的方法。 (1)从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差。 (2)采用误差补偿方法提高定位精度。 误差补偿的原理就是人为地制造一个大小相等、方向 相反的误差去

12、补偿原有的误差。 1. 电气补偿法 (1)反向间隙误差补偿 (2)螺距累积误差补偿 2. 软件补偿法 (1)反向间隙误差补偿 (2)由螺距累积误差等引起的常值系统性定位误差的补偿 198.4 数控机床的工作精度 8.4.1 数控机床的工作精度 试验 1. 主要检测项目 现以加工中心为例，介绍 其工作精度的主要检测项 目。 (1)镗孔孔距精度 (2)斜线铣削精度 检测项目有： F四面的直线度； F相对面间的平行度； F相邻两面间的垂直度。 (3)铣圆精度 2. 各检验项目与机床精度的关 系 图8.8表示在两孔中心位 置A、B两点处机床定位 精度对试件孔距精度的影 响。 208.4.2 机床进给伺

13、服系统特性对加工精度的影响控制系统应同时精确地控制各坐标 轴运动的位置和速度。由于系统的 稳态和动态特性，会影响坐标轴的 协调运动和位置的精确性，产生轮 廓的形状误差。以下仅讨论系统的 稳态特性对轮廓误差的影响。 1. 跟随误差 数控机床的伺服进给系统可简化 为一阶系统来讨论。当恒速输入 时，稳态情况下系统的运动速度 与速度指令值相同，但是两者的 瞬时位置有一恒定的滞后。 在图8.9中，曲线1为某一坐标轴 的位置命令输入曲线，曲线2为实 际运动的位置时间曲线。 2. 跟随误差与轮廓误差之间的关系 轮廓误差是指实际轨迹与要求轨 迹之间的最短距离。一般分析两 种情况下的轮廓误差：加工直线 轮廓和加

14、工圆弧轮廓。 数控机床位置精度检测与补偿v任务1 项目教学单元设计v学习目标v1.掌握数控机床定位精度、重复定位精度的 测量方法。v2.掌握编制测量位置精度数控程序方法。v3.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v教学内容v激光干涉仪原理与操作，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。v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v知识点1 激光干涉仪v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。v考核一台数控机床等级的精度组成一

15、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v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。v 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，先用激光位 移传感器或者电感测微仪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=110-6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