数控技术毕业设计-数控机床位置精度的检测和补偿

数控技术毕业设计-数控机床位置精度的检测和补偿内容摘要：

研究、制定滞后。 存在的主要原因有：①认识方面：对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能 力分析不够。 ②体系方面：从技术的角度关注数控产业化问题的时候多从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 ③机制方面：不良机制造成人才流失，不仅制约了技术及技术路线创新、产品创新，而且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 ④ 技术方面：企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 1． 3 数控机床位置精度的检测及补偿的重要性 随着我国国民经济的飞速发展，数控机床作为一种高 精度、高效率、稳定性强的自动化加工设备，已经成为机械行业必不可少的现代化装备。 数控机床和加工中心作为新一代的工作母机，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高 ,对数控机床的精度提出了更高的要求。 数控机床的位置精度 (主要是定位精度和重复定位精度 )是影响其高精度的一个重要方面，也是精密零件加工制造时要考虑的一个重要项目。 因此对数控机床的位置精度进行检测和补偿是提高加工质量的有效途径。 运江西理工大学南昌校区 2020 届专科生毕业论文 用数控机床位置精度检测与补偿方法，不但可以提高机床精度，而且对于进一步认识数控系统功能和数控 机床结构具有积极现实的意义。 本论文就是基于上述思想，利用双频激光干涉仪测量原理，通过误差补偿系统对数控机床进行检测和补偿 ,可以使其定位精度得到显著提高。 1． 4 本课题主要研究内容 本课题主要研究数控机床位置精度的三种检测方法及补偿方法。 数控机床位置精度的检测方法有：双频激光干涉仪检测法，块规法，线纹尺 显微镜法。 本次论文要求了解块规法及线纹尺 显微镜法，学习 RENISHAW 的双频激光干涉仪检测方法。 主要研究双频激光干涉仪在直线运动定位精度检测中的工作原理及使用方法。 学习数控机床位置精度相关标准。 检测一台数 控机床。 数控机床位置精度的补偿方法有：机械式补偿法，软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法等。 主要研究软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法。 对上述检测的数控机床，进行数据分析，然后采取软件式补偿法，并比较补偿前后的精度差别。 江西理工大学南昌校区 2020 届专科生毕业论文 5 第二章 数控机床的位置精度 2． 1 数控机床位置精度的基本概念 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。 机床的定位精 度是指机床的移动部件如工作台、溜板、刀架等在调整或加工过程中，根据指令信号，由传动系统驱动，沿某一数控坐标轴方向移动一段距离时，实际值与给定值的接近程度 (图 21）。 定位精度的高低用定位误差的大小衡量。 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 图 21 定位精度示意图 重复定位精度是指在数控机床上，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。 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震荡。 2． 1． 1 定位误差的统计检验方法 对于某一目标位置，当按给定指令使移动部件移动时，其实际到达位置与目标位置之间总会存在误差，多次向该位置定位时，误差值不可能完全一致，而总会有一定的分散。 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。 江西理工大学南昌校区 2020届专科生毕业论文 6 （ 2）随机性误差 误差的大小和方向是不规律地变化的。 实际上两类性质的误差是同时存在的。 引起这两类误差的原因不同，解决的途径也不一样。 为了评价和改善定位精度，首先必须区分定位误差中的两类不同性质的误差。 随机性误差表面上看起来虽然没有什么规律，但是应用数理统计方法还是可以找出其分布的总体规律的。 定位（测量）次数愈多（ 100 次），则规律性愈明显。 生产实践表明，定位误差的分布符合正态分布的统计规律， 其分布曲线近似于一条正态分布曲线 (图22)。 图 22 定位误差的分布曲线 2． 1． 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 某点的定位误差为该点的平均位置偏差与该点误差分散范围之半的和。 （ 2） 重复定位误差 误差的分散范围表示了移动部件在该点定位时的重复定位精度。 重复定位精度越低，对整个夹具的定位来说精度越高。 （ 3） 反向差值 当移动部件从正、反两个方向多次重复趋近某一点定位时，正、反两个方向的平均位置偏差是不相同的。 同时，从正、反向趋近定位点时，误差的分散范 围也会不同。 因此，从不同方向向某点定位时，其定位精度和重复定位精度也会有所不同。 江西理工大学南昌校区 2020 届专科生毕业论文 7 机床位置精度的主要检测项目 机床位置精度的主要检测项目有 : ①直线运动位置精度 (包括 X ,Y,Z,U,V,W 轴 )； ②直线运动重复定位精度； ③直线运动反向间隙 (失动量 )测定； ④直线运动的原点返回精度； ⑤回转运动定位精度 (转台 A,B,C 轴 )； ⑥回转运动重复定位精度； ⑦回转轴原点的返回精度； ⑧回转运动反向间隙 (失动量 )测定。 测量直线运动的检测工具有：测微仪和成组块规，标准长度刻度尺和光学读数显微镜及双频激光 干涉仪等。 标准长度测量以双频激光干涉仪为准。 回转运动的检测工具有： 360度齿精确分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅及平等光管等。 本文在第三章中将介绍数控机床位置精度检测的直线运动位置精度检测方法。 故主要检测以下四项内容： （ 1） 直线运动定位精度检测 直线运动定位精度一般都在机床和工作台空载条件下进行。 常用检测方法如图 23所示。 江西理工大学南昌校区 2020届专科生毕业论文 8 图 23 直线运动定位精度检测 按国家标准和国际标准化组织的规定（ ISO 标准），对数控机床的检测，就以激光测量（图 23b）为准。 但目前国内激光测量仪较少，大部分数 控机床生产厂的出厂检测及用户验收检测还是用标准尺进行比较测量（图 23a）。 为了反映出多次定位中的全部误差， ISO标准规定每个定位点按五次测量数控算出平均值和散差 3d177。 所以这时的定位精度曲线已不是一条曲线，而是一个由定位点平均值连贯起来的一条曲线加上 3d177。 散差带构成的定位点散差带，如图 24所示。 图 24 定位精度曲线 此外，数控机床现有定位精度都是以快速定位测定，这也是不全面的。 在一些进给传动链刚度不 太好的数控机床上，采用各种进给速度定位时会得到不同的定位精度曲线和不同的反向死区（间隙），因此，对一些质量不高的数控机床，即使有很好的出厂定位精度检查数据，也不一定能成批加工出高加工精度的零件。 另外，机床运行时正、反向定位精度曲线由于综合原因，不可能完全重合，甚至出现别的特征情况。 测定的定位精度曲线还与环境温度和轴的工作状态有关。 目前大部分数控机床都是半闭环的伺服系统，它不能补偿滚珠丝杠的热伸长，该热伸长能使定位精度在一米行程上相关 ～。 为此，有些机床采用预拉伸的方法来减小热伸长的影响。 （ 2）直线运动重复定位精度的检测 检测用的仪器与检测定位精度所用的相同。 一般检测方法是在靠近各坐标行程的中点及两端的任意三个位置进行测量，每个位置用快速移动定位，在相同条件下重复作七次定位，测出停止位置数值并求出读数的最大差值。 以三个位置中最大一个差值的二分之一，江西理工大学南昌校区 2020 届专科生毕业论文 9 附上正负符号，作为该坐标的重复定位精度。 它是反映轴运动精度稳定性的最基本的指标。 （ 3）直线运动的原点返回精度 原点返回精度，实质上是该坐标轴上一个特殊点的重复定位精度，因此它的测定方法完全与重复定位精度相同。 （ 3） 直线运动失动量的测量 失动量的测定方法是在所测量坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一个方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止位置与基准位置之差。 在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测量（一般为七次），求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为失动量的测量值。 坐标轴的失动量是该坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电机、伺服油马达和步进电机等）的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙和弹性变形等误差的综合反映。 这误差越大则定位精度和重复定位精度也越差。 江西理工大学南昌校区 2020届专科生毕业论文 10 第三章 数控机床位置精度的检测及标准 3． 1 数控机床位置精度的检测方法 3． 1． 1 成组块规法 现国内已经较少采用此法，故本论文不做介绍。 3． 1． 2 线纹尺－显微镜法 （ 1）测量原理 以精密线纹尺作为标准器，采用相对测量法进行测量，求出被测数控机床坐标轴上各被测点的位置偏差。 当数控机床沿被测坐标轴的轴线方向作直线移动到目标位置时，通过读数显微镜从精密线纹尺精确读出该目标位置的读数值，经过误差修正得该目标位置的实际位置。 按位置偏差定义， 实际位置减目标位置之差值即为该测点从的位置偏差。 据 GB1093189 及各点的位置误差，经过数据处理，即可评定数控机床的位置误差。 （ 2）测量方法 a、线纹尺及读数显微镜的安装。 遵循阿贝原则将 0级或 1级线纹尺安放在机床的工作台上，如图 31 示。 首先用磁性表架 6 将杠杆千分表 5固定在机床的主轴 7上，以线纹尺 1 的外侧面为测量面，启动机床使其主轴或工作台 3 作轴向移动，反复调整线纹尺，使之与被测坐标的轴线方向一致。 调整时可先用橡皮泥 2 固定，调整好后再加上两个磁性表座 4 紧固，若检测竖直方向 (Y 轴或 Z 轴 )的位置误差，可用方箱 3 作为定位基面，如图 32。 取下杠杆千分表及表座，用自制专用夹具 7将读数显微镜 6 固定在机床主轴 9上。 自制夹具应稳定可靠，调整方便。 调整好读数显微镜，应使线纹尺 5的刻度线清晰地成象在其目镜视场内。 图 32 中， 1为橡皮泥 ,2 为磁性表座， 4为工作台， 8为测量芯轴。 江西理工大学南昌校区 2020 届专科生毕业论文 11 图 31 图 32 b、目标位置及循环方式的选择。 目标位置是指运动部件要达到的位置。 目标位置的选择须客 观真实地反映其周期误差。 在被测轴向的全部工作行程内随机选取各目标位置。 c、测量步骤。 测量前被测机床和线纹尺等应在 20 士 5℃室温内等温 12 小时。 测量时将三只分度值为 0. 1℃的温度计分别放置在机床的工作台及光栅尺附近的两侧，并记下测量始末的温度值。 测量时，空气温度的变化应小于士 ℃ /h。 按选择的目标位置及循环方式编制机床的检测程序，然后启动机床以快速或制造厂规定的速度沿轴线直线运动，逐次定位，从读数显微镜依次读出各目标位置的读数值。 测量过程中应在测量位置停留足够时间，以便准确地观察和记录。 3． 1． 3 步距规测量 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生产采用。 无论采用哪种测量仪器，其在全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在各自目标位置取不同的值，以获得全测量行程上各自目标位置的不均匀间隔，以保证周期误差被充分采样。 下图 33即为步距规机构图。 江西理工大学南昌校区 2020届专科生毕业论文 12 图 33。