数控机床 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2 3一、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尺寸、形状和表面相互位置)与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、形状精度和位置精度三项指针来衡量用尺寸精度、形状精度和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 Ø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：⑴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；⑵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定位误差的统计检验方法•(1)系统性误差 •(2)随机性误差 –2. 定位精度的确定定位精度的确定 •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GBl0931—89“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. 步进电动机的误差步进电动机的误差–(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•①减小、消除各种机械间隙，采用各种消除间隙的结构装配时预加载荷•②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4µm，点位控制系统允许到0.01~0.02mm•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：»四面的直线度；»相对面间的平行度；»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各检验项目与机床精度的关系系•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：加工直线轮廓和加工圆弧轮廓 数控机床位置精度检测与补偿•任务任务1 项目教学单元设计项目教学单元设计•学习目标学习目标•1.掌握数控机床定位精度、重复定位精度的测量方法。
掌握数控机床定位精度、重复定位精度的测量方法•2.掌握编制测量位置精度数控程序方法掌握编制测量位置精度数控程序方法•3.掌握数控机床螺距误差和反向间隙的补偿方法，并检验掌握数控机床螺距误差和反向间隙的补偿方法，并检验补偿效果补偿效果 项目六数控机床位置精度检测与补偿•教学内容教学内容•激光干涉仪原理与操作，数控机床重复定位精度，定位精度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及反向差值的检查与误差补偿•数控机床位置精度（重复定位精度、定位精度及轴线的反向数控机床位置精度（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•知识点知识点1 激光干涉仪激光干涉仪•双频激光干涉仪双频激光干涉仪--用来测量数控机床的定位精度，用来测量数控机床的定位精度，重复定位精度重复定位精度•考核一台数控机床等级的精度组成一般来讲分为考核一台数控机床等级的精度组成一般来讲分为三类三类1 1、几何精度、几何精度 指影响机床加工精度的组成零部件的精度，包括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、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。
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 2、位置精度、位置精度 简单的讲，位置精度就是指机床刀具趋近目标位简单的讲，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位精度及反向间隙三部分组成3 3、工作精度、工作精度 通过用机床加工规定的试件，对加工后的试件进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•激光干涉仪激光干涉仪---通过光路干涉原理进行测试精度优于百万分之• 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激光光干干涉涉仪仪一一般般采采用用的的是是氦氦氖氖激激光光器器，，其其名名义义波波长长为为微微米米（（1微微米米=1×10-6米米）。
测测量量系系统统组组成成---激激光光头头、、遥遥控控装装置置、、计计算算机机、、显显示示器器、、空空气气传感器、温度传感器及图形绘制仪等传感器、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其原原理理是是：：把把两两束束相相干干光光波波形形合合并并相相干干（（或或引引起起相相互互干干涉涉）），，其其合合成成结结果果为为两两个个波波形形的的相相位位差差，，用用该该相相位位差差来来确确定定两两个个光光波波的的光光路路差差值值的的变变化化当当两两个个相相干干光光波波在在相相同同相相位位时时，，即即两两个个相相干干光光束束波波峰峰重重叠叠，，其其合合成成结结果果为为相相长长干干涉涉，，其其输输出出波波的的幅幅值值等等于于两两个个输输入入波波幅幅值值之之和和；；当当两两个个相相干干光光波波在在相相反反相相位位时时，，即即一一个个输输入入波波峰峰与与另另一一个个输输入入波波谷谷重重叠叠时时，，其其合合成成结结果果为为相相消消干干涉涉，，其其幅幅值值为为两两个个输输入入波波幅幅值值之之差差，，因因此此，，若若两两个个相相干干波波形形的的相相位位差差随随着着其其光光程程长长度度之之差差逐逐渐渐变变化化而而相相应应变变化化时时，，那那么么合合成成干干涉涉波波形形的的强强度度会会相相应应周周期期性性的的变变化化，，即即产产生生一一系系列列明明暗暗相相间间的的条条纹纹，，激激光光器器内内的的检检波波器器，，根根据据记记录录的的条条纹纹数数来来测测量量长长度度，，其其长长度度为为条条纹纹数数乘乘以半波长。
以半波长 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿•定位精度测量工具和方法定位精度测量工具和方法 工具 工具----测量定位精度和重复定位精度的仪器是激光干测量定位精度和重复定位精度的仪器是激光干涉仪其在全行程上的测量点数不应少于涉仪其在全行程上的测量点数不应少于5点（点（5～～15个），个），测量间距按下式确定：测量间距按下式确定： 项目六数控机床位置精度检测与补偿•某测量点的实际距离某测量点的实际距离 Pi =i×P+k•式中，式中，P--为测量间距（步矩），是整数；为测量间距（步矩），是整数；• i ---目标位置序号目标位置序号• K--在各目标位置时取不同的值，是小数以获得在各目标位置时取不同的值，是小数以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔，从而保证周期误全测量行程上各目标位置的不均匀间隔，从而保证周期误差被充分采样差被充分采样 项目六数控机床位置精度检测与补偿•机床控制盘上用程序控制工作台按标准循环图（见图机床控制盘上用程序控制工作台按标准循环图（见图6-2）移动，）移动，•移动距离依次为移动距离依次为P1，，P2，，…，，Pi，，•表头则依次接触到表头则依次接触到P1，，P2，，…，，Pi点，点，•表盘在各点的读数则为该位置的单向位置偏差。
表盘在各点的读数则为该位置的单向位置偏差•按标准循环图测量按标准循环图测量5次，将各点读数（单向位置偏差）记次，将各点读数（单向位置偏差）记录在记录表中录在记录表中 项目六数控机床位置精度检测与补偿•图6-2 标准检验循环图 位置i（m=5）i 0 1 2 3 … m=5循环 jj=1,2,..n图图6-2标准检验循环图标准检验循环图 项目六数控机床位置精度检测与补偿•最后要按国家标准最后要按国家标准GB/T17421.2—2000评定方法评定方法”对数据对数据进行处理，可确定该轴线的定位精度和重复定位精度进行处理，可确定该轴线的定位精度和重复定位精度 项目六数控机床位置精度检测与补偿 目标位置目标位置Pi：运动部件编程时要达到的位置，下：运动部件编程时要达到的位置，下标标i表示沿轴线选择的目标位置中的第表示沿轴线选择的目标位置中的第i个位置• 实际位置实际位置Pij（（i=0~m，，j=1~n）：）：•运动部件第运动部件第j次向第次向第i个目标位置趋近时，实际测得个目标位置趋近时，实际测得的位置的位置(厂家给定值厂家给定值)。
• 位置偏差位置偏差Xij：：•运动部件到达的实际位置与其目标位置之差，运动部件到达的实际位置与其目标位置之差，Xij=Pij – Pi 项目六数控机床位置精度检测与补偿• 单向趋近：运动部件以相同的方向沿轴线（指直单向趋近：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置的一系列测量符号“↑”表示从正向趋近所表示从正向趋近所得参数，符号得参数，符号“↓”表示从负向趋近所得参数，表示从负向趋近所得参数，如如Xij↑-正向偏差、正向偏差、Xij↓ -反向偏差反向偏差• 双向趋近：运动部件从两个方向沿轴线或绕轴线双向趋近：运动部件从两个方向沿轴线或绕轴线趋近某目标位置的一系列测量趋近某目标位置的一系列测量 项目六数控机床位置精度检测与补偿•两个方向沿轴线两个方向沿轴线轴线轴线P 项目六数控机床位置精度检测与补偿•两个方向绕轴线两个方向绕轴线P 项目六数控机床位置精度检测与补偿•知识点知识点2 传动误差分析及测量补偿传动误差分析及测量补偿•1.因滚珠丝杆副而产生的进给传动误差因滚珠丝杆副而产生的进给传动误差•有两种：有两种：•a.螺距误差螺距误差---丝杠导程的实际值与理论值的偏差。
丝杠导程的实际值与理论值的偏差•b. 反向间隙反向间隙---丝杠与螺母无相对转动时，丝杠与螺母之间丝杠与螺母无相对转动时，丝杠与螺母之间的轴线窜动的轴线窜动 项目六数控机床位置精度检测与补偿•为什么叫反向间隙？丝杠反向转动时，丝杠转动为什么叫反向间隙？丝杠反向转动时，丝杠转动一角度一角度α，而螺母不直线移动，直到把轴向窜动量，而螺母不直线移动，直到把轴向窜动量走完螺母才会移动只是在反向时才会有的现象走完螺母才会移动只是在反向时才会有的现象----所以叫反向间隙所以叫反向间隙•消除（减小）反向间隙的方法：消除（减小）反向间隙的方法：•双螺母垫片调隙式结构双螺母垫片调隙式结构 •双螺母螺纹调隙式结构双螺母螺纹调隙式结构 •双螺母齿差调隙式结构双螺母齿差调隙式结构 项目六数控机床位置精度检测与补偿•2.因电动机丝杠连接及转动而产生的间隙误差因电动机丝杠连接及转动而产生的间隙误差•电动机与丝杠的连接方式通常有三种电动机与丝杠的连接方式通常有三种:•联轴器联轴器----传动比传动比1:1 特点是特点是:具有较大的扭转刚度；传动具有较大的扭转刚度；传动机构本身无间隙，传动精度高；而且结构简单，安装、调机构本身无间隙，传动精度高；而且结构简单，安装、调整方便。
整方便 项目六数控机床位置精度检测与补偿•同步带传动同步带传动----传动比由同步带的齿数比确定，有间隙传动比由同步带的齿数比确定，有间隙 项目六数控机床位置精度检测与补偿 具有带传动和链传动的共同优点，与齿轮传动相比它结构具有带传动和链传动的共同优点，与齿轮传动相比它结构更简单，制造成本更低，安装调整更方便并且传动不打更简单，制造成本更低，安装调整更方便并且传动不打滑、不需要大的张紧力；传动效率可以达到滑、不需要大的张紧力；传动效率可以达到98~99.5%，，最高线速度可以达到最高线速度可以达到80m/s，故广泛用于一般数控机床和，故广泛用于一般数控机床和高速、高精度的数控机床传动高速、高精度的数控机床传动 项目六数控机床位置精度检测与补偿•齿轮传动齿轮传动----传动比由齿轮副的齿数比确定，有间隙，传传动比由齿轮副的齿数比确定，有间隙，传递扭矩大递扭矩大 项目六数控机床位置精度检测与补偿•优点：优点：①①可以降低丝杠、工作台的惯量在系统中可以降低丝杠、工作台的惯量在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性所占的比重，提高进给系统的快速性②②可以充可以充分利用伺服电动机高转速、低扭矩的性能，使其分利用伺服电动机高转速、低扭矩的性能，使其变为低转速、大扭矩输出，获得更大的进给驱动变为低转速、大扭矩输出，获得更大的进给驱动力。
力③③在开环步进系统中还可起到机械、电气间在开环步进系统中还可起到机械、电气间的匹配作用，使数控系统的分辨率和实际工作台的匹配作用，使数控系统的分辨率和实际工作台的最小移动单位统一的最小移动单位统一④④进给电动机和丝杠中心进给电动机和丝杠中心可以不在同一直线上，布置灵活可以不在同一直线上，布置灵活 项目六数控机床位置精度检测与补偿•缺点：缺点：①①传动装置结构复杂，降低传动效率，增传动装置结构复杂，降低传动效率，增加噪声②②传动级数的增加必将带来传动部件的传动级数的增加必将带来传动部件的间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能③③传动齿轮副有间隙存在，在开环、半闭环系统传动齿轮副有间隙存在，在开环、半闭环系统中，将影响加工精度；在闭环系统中，由于位置中，将影响加工精度；在闭环系统中，由于位置反馈的作用，间隙产生的位置滞后量虽然能通过反馈的作用，间隙产生的位置滞后量虽然能通过系统的闭环自动调节得到补偿，但它将带来反向系统的闭环自动调节得到补偿，但它将带来反向时冲击，甚至导致系统产生振荡而影响系统的稳时冲击，甚至导致系统产生振荡而影响系统的稳定 项目六数控机床位置精度检测与补偿•3.因伺服机构的类型不同而产生的间隙误差因伺服机构的类型不同而产生的间隙误差•伺服机构分为三种类型：伺服机构分为三种类型：•开环系统开环系统-在开环系统中，不进行位置和速度的检在开环系统中，不进行位置和速度的检测，电动机将依据电脉冲驱动进给运动达到期望测，电动机将依据电脉冲驱动进给运动达到期望的位置。
开环系统采用步进电动机作为动力源，的位置开环系统采用步进电动机作为动力源，并且假定只要输入一定数量的电脉冲，机床就有并且假定只要输入一定数量的电脉冲，机床就有相应的位移量由于没有检测元器件，构成这样相应的位移量由于没有检测元器件，构成这样的系统成本较低，但是它的缺点是一旦产生误差，的系统成本较低，但是它的缺点是一旦产生误差，就会逐渐积累所以间隙补偿效果明显就会逐渐积累所以间隙补偿效果明显 项目六数控机床位置精度检测与补偿开环伺服系统的结构开环伺服系统的结构 项目六数控机床位置精度检测与补偿特点：结构简单，步进驱动、步进电机，无位置速度反馈特点：结构简单，步进驱动、步进电机，无位置速度反馈步进电机步进电机----步进步进电机电机是将电是将电脉冲脉冲信号转变为角位移或线位移信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件在非超载的情况下，电机的转的开环控制元步进电机件在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率频率和脉冲数，而不和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为为“步距角步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
它的旋转是以固定的角度一步一步运行的可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的位的目的目的；同时可以通过控制；同时可以通过控制脉冲频率脉冲频率来控制电机转动的来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的速度和加速度，从而达到调速的目的 项目六数控机床位置精度检测与补偿•全闭环系统为了测量直线进给运动，沿导轨移动方全闭环系统为了测量直线进给运动，沿导轨移动方向安装直线位移传感器，直接测量工作台的位移向安装直线位移传感器，直接测量工作台的位移 项目六数控机床位置精度检测与补偿特点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有直线特点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有直线位移、速度检测装置，价格贵，调试困难，位移、速度检测装置，价格贵，调试困难，间隙补偿效果不间隙补偿效果不明显•伺服电机伺服电机----伺服电机（伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中）是指在伺服系统中控制控制机械元件机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压电压信信号转化为号转化为转矩转矩和转速以驱动控制对象。
伺服和转速以驱动控制对象伺服电机电机转子转速受转子转速受输入输入信号信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，度输出分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降 项目六数控机床位置精度检测与补偿•而半闭环系统则把角位移传感器安装在滚珠丝杠端部，测而半闭环系统则把角位移传感器安装在滚珠丝杠端部，测量其角位移，显然，这时传感器测出角位移的值不能反映量其角位移，显然，这时传感器测出角位移的值不能反映滚珠丝杠本身的行程误差及其变形，以及滚珠丝杠副以后滚珠丝杠本身的行程误差及其变形，以及滚珠丝杠副以后传动链所产生的那部分工作台的位移误差传动链所产生的那部分工作台的位移误差 项目六数控机床位置精度检测与补偿特点：精度较高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有特点：精度较高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有角位移、角速度检测装置，结构紧凑，角位移、角速度检测装置，结构紧凑，间隙补偿效果比较间隙补偿效果比较明显。
明显 项目六数控机床位置精度检测与补偿•4.数控机床位置精度的测量方法及评定标准数控机床位置精度的测量方法及评定标准•GB/T17421.2—2000 项目六数控机床位置精度检测与补偿•知识点知识点3.•1. 螺距补偿螺距补偿•数控机床软件补偿的基本原理是在机床的机床坐标系中，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，测量出各目标位置若干段，测量出各目标位置Pi的平均位置偏差的平均位置偏差• • = 项目六数控机床位置精度检测与补偿•把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补指令上，如下图把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补指令上，如下图所示，指令要求沿所示，指令要求沿Z 轴运动到目标位置轴运动到目标位置Pi，目标实际位置为，目标实际位置为Pij,该点的平均位置偏差为该点的平均位置偏差为 项目六数控机床位置精度检测与补偿•将该值输入系统，则系统将该值输入系统，则系统CNC 在计算时自动将目标位置在计算时自动将目标位置Pi 的的平均位置偏差叠加到插补指令上，实际运动位置为平均位置偏差叠加到插补指令上，实际运动位置为:使误差部分抵消，实现误差的补偿。
使误差部分抵消，实现误差的补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿•2. 反向间隙补偿反向间隙补偿 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，作为机床的补偿参数输入系统的平均反向差值，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，自动先让该坐系统在控制坐标轴反向运动时，自动先让该坐标反向运动值，然后按指令进行运动标反向运动值，然后按指令进行运动 项目六数控机床位置精度检测与补偿 项目六数控机床位置精度检测与补偿• · 某一位置的单向平均位置偏差某一位置的单向平均位置偏差 ↑或或 ( ↓)：：•运动部件运动部件n次单向趋近某一位置次单向趋近某一位置Pi所得的位置偏差的算术平所得的位置偏差的算术平均值，均值，•即即 ↑ = ↑, ↓= ↓ 项目六数控机床位置精度检测与补偿• 某一位置的双向平均位置偏差：运动部件从两个方向趋近某一位置的双向平均位置偏差：运动部件从两个方向趋近某一位置某一位置Pi所得的单向平均位置偏差所得的单向平均位置偏差 ↑和和 ↓的算术平均的算术平均值值,•即即 = （（ ↑+ ↓））/2 项目六数控机床位置精度检测与补偿•某一位置的反向差值某一位置的反向差值Bi：运动部件从两个方向趋近某一位：运动部件从两个方向趋近某一位置时两单向平均位置偏差之差值，置时两单向平均位置偏差之差值，•即即 Bi= ↑- ↓ 项目六数控机床位置精度检测与补偿•很多生产厂家的现场条件属非标准环境，达不到上述标准环境条件要求，其操作人员的熟练程度和应对条件变化的处置能力也有差距，其检测结果的准确性就值得怀疑了。
有些使用者用同一台激光干涉仪检测同一台数控机床，上午检测和下午检测的结果竟相差10μm以上，不知该如何处理 项目六数控机床位置精度检测与补偿•有些计量部门曾用激光干涉仪对测长机、三坐标测量机和数控机床的坐标精度进行检定/校准时，也发现其测量结果与采用实物标准器（如二等标准线纹尺、二等量块、精密步距规等）进行校准时的测量结果有很大差别，数值相差甚至大到10～20μm/1000mm原因可能是多方面的，既有环境影响因素，如温度变化梯度较大，也有人的操作方式不当等影响因素，甚至还可能有仪器本身的温度传感器不够稳定或帖附位置不恰当等因素影响所以在激光干涉仪使用中，有必要先用步距规进行校对校对方法很简单：把步距规当做被检测对象，用激光干涉进行检测，如果测量结果与步距规实际值一致，说明激光干涉仪在本环境条件和使用方式下可准确使用如果测量结果与步距规实际值相差较大，需对激光干涉仪进行误差修正，然后再用修正过的激光干涉仪再次测量步距规，直至测量结果与步距规实际值一致或误差小到可以忽略 项目六数控机床位置精度检测与补偿•三坐标测量机 激光干涉仪使用方法• 激光干涉仪简介• 检测螺距误差必 要性 • 工作原理 • 使用技巧 •实际应用 • 日常维护与保养 激光干涉仪 XL80基本组成： XL80 激光器 三脚架 XC-80 环境补偿装置线性测量 镜组 •检测螺距误差必要性 • 开环和半闭环数控机床的定位精度主要 取决于高精度的滚珠丝杠。
但丝杠总有一 定螺距误差，因此在加工过程中会造成零 件的外形轮廓偏差由上面的原因可以得 知：螺距误差是指由螺距累积误差引起的 常值系统性定位误差检测螺距误差是为 了减少加工过程中造成零件的外形轮廓偏 差，即提高机床的精度 工作原理• MLl0激光干涉激光干涉仪是根据光学千涉基本原理设计而成从 MLl0激光激光器射出的激光激光束有单一频率，其标称波长隽 0．633pLIn，且其长期波长稳定健(真空状态)要高于 0．1ppm当此光束抵达偏振分光镜时，会被分为两道 光束一一道反射光束一道透射光这两道光射向其反光镜， 然后透过分光镜反射圈去，在激光激光头内的探测器形成一道 干涉干涉光束若光程差没有任何变化，探测器会相长性和相 消性干涉干涉的两极找到稳定的信号若光程差确实有变化， 探测器会在每一次光程改变时，在相长性和相消性干涉干涉的 极找到变动的信号这些变化会被计算并用来测量两个光 程闻的差异变化测量的光程就是栅格数乘以光束大约一 半的波长 实 际 应 用•• 目前为止，激光干涉仪激光干涉仪在我们机床装配 现场最常见的检测就是对数控机床的定位 精度、重复定位精度、反向精度的检测 对于附带有C轴带有铣削功能的机床还要进 行回转工作台的定位精度、重复定位精度、 反向精度的检测。
另外，激光干涉仪激光干涉仪在现 场也进行过床身、导轨等相对较长的大型 零件的直线度的检测 应用应用具体讲解•• 下面具体讲解一下，如何用激光干涉仪激光干涉仪 对数控机床进行精度检测先以数控立式 车床GTC16090（系统为西门子802D）的 机床为例： • 1.首先检查机床是否设有软限位在机床数 据内查找36110，并且设置好机床的最大行 程 • 2.看刀补OFFSET内X和Z是否有数？如果 有要清零 • 3.看机床是否设置好零点，看参数34210， 数值是2，则表示有零点如果没有零点， 后续将无法进行螺距补偿找电气人员进 行设置 • 4.检查目标轴相关部件的把合程度，用塞尺检测一下，保证塞尺不下 • 5.找好稳压电源，找好激光激光部件，准备对光 •激光干涉仪激光干涉仪对光过程简介 • 以雷尼绍XL80激光干涉仪激光干涉仪为例进行对光，将激光激光头，补 偿单元，传感器，电脑，三角架按照正确的接线顺序接好， 就是按照接口把先连好但是电源处要接在稳压电源上 如图： 选择磁性表座•磁性表座是激光干涉仪激光干涉仪常用的辅助工具，选择 时需要注意，表座工作面上需有M8的螺孔以配合 安装镜组安装杆，主磁性吸面位于底面和侧面的 表座各选择两个(实验室或工厂多采用的是主磁性 吸面位于底面的表座)，在测量时，往往侧面吸的 表座更利于激光干涉仪激光干涉仪镜组的安装。
在现场使用使用 是激光干涉仪激光干涉仪广泛应用应用的一个特点，但往往现场 工作条件比较差，装夹具不一定全作为校准测 试人员，提前较好较全地选择配套辅助工具，根 据现场情况，合理使使用用辅助工具，是顺利、高效 完成测量任务的重要一环 激光干涉仪激光干涉仪对光过程简介（-）•以X轴对光为例，按照三角架上 的水平泡，将三脚架调整至平将 激光激光头电源开启，调整激光激光头前方 激光激光罩选钮，将白色光圈向下将 反光镜连同磁力表座安在滑枕上 将激光激光头光射出光束对准反光镜， 然后开动X轴之后按照“远相反， 近相同”原理对光 “远相反，近相同”原理•远相反，近相同： 当X轴远离激光激光头运动时，则调动左右测微旋钮，使 测量光束以激光激光头上白圈为对称点，将测量光束调至到另 外一侧，在调整水平平移旋钮，将光点调至白圈中心反 之，当X轴靠近激光激光头运动时，则调动左右测微旋钮，使 测量光束在沿着运动方向继续前移，移动距离是测量光束 到白圈的距离，在调整水平平移旋钮，将光点调至白圈中 心相同原理，测量光束在白圈上上下移动，也是按照这 个原理调整只是把左右测微旋钮变成高低测微旋钮，水 平平移旋钮变成三角架的高低调整。
反复按照上面的步骤 调整，直至测量光束在白圈中心不动为止 激光干涉仪激光干涉仪对光过程简介（二）•• 完成上述步骤后，调动激光激光头上激光激光罩旋 钮，使探测器干涉干涉光圈向下此时，反射 光束仍然在正中间然后找到干涉干涉镜，按 照箭头指示方向，将回光镜安上，同时使 整套镜子安装在磁力表座上将干涉干涉镜放 在反射光束路上，使其一条线然后调整 干涉干涉镜及其表座，使激光激光头上的两个光点 重合在光圈内此时，激光激光头上前方五个 光点应该同时亮起整个对光过程结束， 等待激光激光头预热结束 使用使用技巧 • Z轴激光激光光路快速准直方法•用激光干涉仪激光干涉仪进行线性测量时，无论是数字机床、还是坐标测 量仪仪，z轴测量激光激光光路的较对比X、Y轴准直来说，要困难的多尤 其是在z轴距离较长的情况下，要保证激激光光光束经反射镜反射后回到 激先探测器的强度满足测量对对光强的要求，准妻激光激光光路往往需要 很长时间 根据作者长期使用使用的经验，按照“离处动尾部，低处动整体” 的调整方法，将会大大缩短漆直时闻尾部”是指MLl0激光激光器电 源接口边上的倾斜度调蹩旋钮和三角架云台上的旋转微调控制旋锂， “整体”是指三角架云台平移控制旋锂和三角架的商度调整曲柄。
) 具体调整方法如下： •z轴置于低处，利用MLl0激光激光器外中部 的瞄准槽，正对z轴放置分光镜，左右 移开Z轴，观察激光激光光路，保证激光激光转 向后大致平行于z轴，左右移回z轴放 置线性反射镜及光靶(可以盖在反射或 分光镜上以帮助入眼瞄准及控制光路 的靶)，激光激光打在反射镜光靶上 •经验之谈 • 根据作者长期使用使用的经验，按照“离处动尾部，低处动整体”的调整 方法，将会大大缩短对光时间尾部”是指MLl0激光激光器电源接口 边上的倾斜度调蹩旋钮和三兔架云台上的旋转微调控制旋锂，“整体” 是指三角架云龠酶平移控制旋锂和三角架的商度调整曲柄)具体 调整方法如下：z轴置于低处，利用MLl0激光激光器外毙中部的瞄准槽， 正对z轴放置分光镜，左右移开Z辅，观察激光激光光路，保证激光激光转向后 大致平行于z轴，左右移回z轴放置线性反射镜及光靶(可以盖在反射 或分光镜上以帮助入眼瞄准及控制光路的靶)，激光激光打在反射镜光靶 上 • 初步调整后，围定分光镜并在分光镜上安装光靶，通过“整体”调整 精确瞄准光靶后，取下分光镜光鞯，将z轴升离，观察激光激光在反光镜 光靶上偏离程度，同时透过“尾部”调整使激光激光对准反光镜光靶，若 在此过程中医“尾部”的调整导致分光镜遮挡了部分激光激光，将z轴停 止上升西到起始处，重新调整“整体”，再次对准反射镜光靶。
紧接 着再升z轴，继续调整“尾部”，观察激光激光在反光镜光靶上分离程度 重复整个过程，往复凡次即可达要求需要注意的是“整体”和“尾 部”不能同时调整，一定按照“高处动尾部，低处动整体”的方法 电脑设置过程•• 1.打开电脑，程序--Renishaw LaserXL--线 性测长到如下图： • 2.单击目标点--等距定义目标--第一定位点 （0）--最终定位点（所检测轴的全长，假 设为1000）--间距值（100）--目标数（自 然生成）--确定 •电脑设置过程 • 3.点击采集数据--开始--如下界面 • 定位方式：线性定位方式 • 测量次数：5 • 选择方向：双向 • 然后确定 •电脑设置过程 • 上述步骤完成之后，点“确定”，然后出 现如下页面： • 轴：X（必填） • 其余项就是按照机床实际实际情况填写 •电脑设置过程 • 完成上述步骤后，点击“确定”--再次“确定”，到如下 页面：此页面中，除了越程量大小必须小于激光激光程序中的 越程量其他不用变化 •采集分析过程 • 现在基本上激光激光头已经预热完成了，掉出 激光激光程序，在自动方式下运行此程序，先 将越程量走完，之后点击清零按钮 •采集分析过程 • 激光激光程序正常运行下去后，待走完五次往 返之后，采集过程就结束了。
点击确定 •采集分析过程 • 点击“确定”之后，再点上方“数据”--“分析数据”--“分析曲线”定位 精度看最大值重复精度看最大值 •补偿数据阶段 • 1.补偿数据前提： • 经过分析数据后，见到重复定位精度一定 要符合技术要求，并且反向间隙要在技术 要求范围内能补偿过来，才能进行补偿 • 2.首先进行间隙补偿在机床数据-轴数据 内，找到参数32450，然后把反向间隙的数 值写入，并且使之生效 • 3.螺距补偿 •螺距补偿 • 1.在机床数据，轴数据，找到参数32700， 并且将之变成0.然后找到补偿文件，并且填 好相关参数 • 2.然后开始执行补偿文件，在自动方式下运 行（运动倍率为0）. • 3.将参数32700变成1，然后进行NCK复位 • 4.然后再次运行激光激光程序，结束后，进行数 据分析，然后合格后，保存文件（左上角文 件，另存副本为） •注意事项 • 值得注意的是，激光激光束的波长取决于所通过的空 气折射率由于空气折射率会随着温度、压力和 相对湿度而变化，用来计算测量值的波长值可能 需要加以补偿，以配合这环境参数改变实际实际上 就测量准确度而言，此类补偿在进行线性位移(定 位精度)测量，特别是量程较大时，非常重要。
配备专用电脑的重要性•MLl0激光干涉仪激光干涉仪常配合笔记本电脑使用使用，但如 果不注意专用的问题，无论是软件冲突、抑或是电脑 病毒，往往会影响到测量和使用使用 作者曾经在一台大型铣床位置准确度检测过程 中，遇到测量中电脑无端重启，导致之前测量过程中 的数据全部丢失的情况过后检查该电脑，没有发现 病毒或其他问题，但确实长时间用于激光干涉仪激光干涉仪测量 中，会出现重启的现象 电脑专属专用，利于测量数据长期保存，方便测 量人员进行数据分析、问题查找 镜组的灵活使用使用•MLl0激光干涉仪激光干涉仪配备有线性测量镜组、角度测量 镜组、平面度测量组件、直线度测量组件、垂直 度测量镜组、激激光光器准直辅助镜等等，实际使用实际使用 中，有些不同功能的镜组也可以相互组合使用使用， 以满足测量需要比如角度测量镜组中的反射镜 也可以替换线性测量镜组中的反射镜；激光激光器准 直辅助镜的使用使用可以减少准直调整的时间同时， 激光干涉仪激光干涉仪各个测量镜组也可以在别的测量工作 中使用使用，常见的利用分光镜或者光学直角器，达 到改变光路，方便测量的目的这需要，测量人 员了解设备性能、掌握测量技巧，在满足测量准 确度的前提下活学活用。
•日常维护 • MLIO激光干涉仪使用激光干涉仪使用中日常维护也同样重要， • 要注意以下几点： • (1)避免现场与仪器箱内温差较大时，直接开箱使用使用； • (2)运输、使用使用中避免剧烈碰撞； • (3)仪器线缆要防止碾、压，线缆接口防止变形； • (4)多尘的环境中，要注意光学镜组放尘，测量间隙较长时， 注意将激激光光光闸关闭，防止灰尘进入激光激光器； • (5)清洗光学镜组要使用使用高质量的擦拭纸、清洗液。