７４ 《计量与测试技术》２０１８年第４５卷第２期 数控机床定位精度的检测方法与曲线分析 李 松 刘 丽 唐晓林 张 勇 （湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北武汉４３００００） 摘要：本文主要介绍了数控机床定位精度的检测方法，以及对几种常见检测结果曲线产生的原因，从检测方法和机床自身原因两方面进行分 析判断，以利于机床维修人员对机床状态的了解。 关键词：数控机床；定位精度；检测曲线；分析 中图分类号：ＴＢ９ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：４１０．５５ ＤＯＩ：１０．１５９８８／ｊ．ｅｎｋｉ．１００４—６９４１．２０１８．０２．０２６ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｃｕｒｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｎｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｌｉ Ｓｏｎｇ Ｌｉｕ Ｌｉ Ｔａｎｇ Ｘｉａｏｌｉｎ Ｚｈａｎｇ Ｙｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅｓ，ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｊｕｄｇｅ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｍｍｏｎ ｄｅｔｅｃｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｕｒｖｅｓ，ｆｒｏｍ ｔｗｏ ｓｉｄｅｓ ａｓ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅｓ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｆｏｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｍａｉｎｔａｉｎｅｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ；ａｎａｌｙｓｉｓ １ 引言 好机床补偿软件。 数控机床检测结果曲线都会有其形成的原因， （３）编制机床试验程序，安装棱镜组之前先将 程序运行一遍，确保无误。 （４）安装棱镜组，进行对光，直至移动棱镜在最 要能够从这些曲线中提取有用的信息，将其转化成 后续机床调修工作以及其所能承担任务的指导，这 才能够充分发挥数控机床检测的作用。 ２数控机床定位精度 近段和最远端反射回来的激光像与固定棱镜反射回 来的激光像完全重合为止。 （５）在保持原有螺距补偿及反向间隙补偿数据 的基础上，运行机床程序，并且用激光干涉仪采集数 据，并保存。 （６）若采集的数据误差较大，则将机床原有的 螺距补偿数据反向间隙补偿完全清除，再程序运行 一数控机床的定位精度，是指所测机床运动部件 在数控系统控制下运动时所能达到的位置精度。通 俗地理解，就是当数控私服系统控制机床工作台或 者刀具移动一段预设的距离，看其移动的距离是否 准确。该准确度会影响机床所加工的工件各相关轴 向的尺寸精度。所以数控机床的定位精度的好坏很 大程度上决定了其加工工件的质量。 遍，同时用激光干涉仪采集数据，并保存。 （７）用误差补偿软件分析计算第６步中采集的 目前通常采用国标ＧＢ—Ｔ１７４２１．２～２０１６作为 数控机床位置精度的标准。 通常我们使用双频激光干涉仪作为数控机床定 位精度的检测工具，检测数控机床定位精度的主要 步骤如下： 数据，并将计算结果补偿到机床系统中。 （８）再次运行机床程序，用激光干涉仪采集５ 遍补偿后的数据即完成了机床的检测及补偿过程。 测量示意图如图１所示。 ３ 常见的数控机床检测曲线及分析 （１）选择合适的位置架设好激光干涉仪通电预热。 通常机床检测人员会使用激光干涉仪对数控机 床进行精度的检测以及补偿，但是对于机械性能有 （２）查看机床系统参数，了解机床的可测量的 最大行程，以及机床参考点位置，根据以上参数设置 收稿日期：２０１７—０９—３０ 较大问题的数控机床，就算经过了螺距以及反向间 李松等：数控机床定位精度的检测方法与曲线分析 隙的补偿之后，精度仍然不尽人意，在排除了检测方 法以及检测细节可能产生的问题以后，维修人员需 要通过检钡４出的数据以及曲线图进行分析，来判断 机床可能是哪个部分的问题，这就需要维修人员对 形成相应曲线图的原因有所了解。下面就对各种可 能出现的曲线图形做一些探讨。 干涉镜反射镜 计 图１ （１）下坡或上坡曲线 图２、图３中曲线正向和反向行程中，曲线均呈 下坡或上坡状态。在整个轴线长度上，误差呈线性 负向或正向增大。 绘所有数椐曲线 绘所有 图２ 绘所有 圈３ ①在激光干涉仪设置上，可能光束准直调整不 正确，如果轴线短于１ｍ，则可能是材料热膨胀补偿系 数不正确，材料温度测量不正确或波长补偿不正确。 ②机床可能的误差源。机床的光栅尺安装与机 床导轨不平行，或产生俯仰和扭摆造成阿贝误差以 及机床的线性误差。此时应检查机床导轨以及光栅 尺的俯仰和扭摆情况。 （２）周期性曲线 图４显示整个轴线长度上的重复周期误差。沿 轴的波动周期基本保持不变。产生周期性曲线可能 ７５ 的原因： ①激光干涉仪设置上。该曲线的形成，与激光 干涉仪的使用安装以及软件设置基本没有关系。 绘所有数据曲线 绘所有 图４ ②机床方面的问题。丝杠或传动系统故障、编 码器问题或故障、机床导轨的轴线直线度。 （３）曲线逐次偏移 图５显示去程和回程两次测试之间，具有不变 的垂直偏移。曲线逐次偏移可能原因： 绘所有数据曲线 绘所有 圈５ ①激光干涉仪设置上。该曲线的形成，与激光 干涉仪的使用安装以及软件设置基本没有关系。 ②机床方面的问题。反向间隙未补偿或不当补 偿，车架与导轨之间存在间隙（松动）。对于丝杠或 滚珠丝杠驱动装置，有可能示球状螺母或丝杠是否 磨损、丝杠轴承端部浮动影响。对于小齿驱动装置： 有可能示齿牙啮合情况不良或齿轮箱磨损造成。 （４）喇叭口形曲线 图６显示，曲线在往返行程中产生相反的坡度， 最终交汇于某一端，产生喇叭口曲线可能的原因： ①激光干涉仪设置上。该曲线的形成，与激光 干涉仪的使用安装以及软件设置基本没有关系。 ②机床方面的问题。可能示由于滚珠丝杠扭 转、导轨太紧。此类图形表示丝杠发生扭转。当转 动滚珠丝杠所需的扭矩太高，丝杠自身开始发生变 形（扭曲）时，将出现滚珠丝杠扭转。扭曲量随着滚 珠丝杠的螺帽离开受驱动端而逐渐提高。若导轨或 球状螺母很紧或咬着，或滚珠丝杠自身强度不够，可 能发生滚珠丝杠扭转。垂直轴线的平衡块重量不足 ７６ 也会引起这个问题。 绘所有数据曲线 图６ （５）Ｘ形曲线 图７显示曲线在往返行程中产生相反的坡度， 在接近中问的位置交汇。正反向交叉线可能原因： 绘所有数据曲线 圈７ ①激光干涉仪设置上。该曲线的形成，与激光 干涉仪的使用安装以及软件设置基本没有关系。 ②机床方面的问题，这是丝杠扭转的一个特殊 例子，其中，单向线性误差补偿和单反向值已在控制 器中设置。可能是由于丝杠和导轨润滑不畅，或垂 直轴上的平衡不佳。另外，导轨护板太紧影响机床 运动也可能出现这种曲线。 （６）锯齿形 图８显示在整个测试过程中误差都呈增加的趋 势。它的一个重要特性是，甚至在设为基准值或零 的轴线位置土时，误差还在增加。 ①锯齿形可能原因。激光干涉仪设置上可能有 问题、光学镜组的热漂移，应确保光学镜组已有充分 的时间适应环境温度。 ②机床方面的问题：机械故障、编码器反馈不可 靠。建议如果误差很小（几个微米），可以在光学镜 组彼此靠近时，设为基准值并重做测试。开始测试 之前，让机床预热。 如果温度或其他环境条件在测试期间发生变 化，则可能的原因是，激光设为基准值时，由于固定 和移动光学镜组之间有间隙而引起的丝杠误差。确 保在重新测试之前，尽可能降低丝杠产生误差的可 能性 《计量与测试技术》２０１８年第４５卷第２期 崮８ 另一种可能是，由光学镜组适应环境引起的热 漂移。在重新测试之前，确保光学镜已有足够的时 问适应环境温度。 若丝杠误差和热漂移都不是引起误差的原因， 则有可能是机械漂移。可能机床轴线相对机床位置 反馈系统发生移动，这可能是由编码器或线性计量 仪安装不牢固引起。可能是电机的热量传到机床的 机体中使机床的温度逐渐提高。若是这种情况，可 以合理预测在一定次数的测试之后。误差（单向） 增加的速度将逐渐降低，因为有这种可能性，即怀疑 产生移动的组件因热膨胀而移动的距离会受到物理 性限制。机械漂移最有可能产生负误差，并且所产 生的坡度会是一个方向比另一个方向扁平。 可能是编码器信号噪音造成控制器的脉冲计数 增加，也可能编码器信号电平与控制器输入不兼容。 ４ 总结 通过数控机床定位精度检测结果曲线图，可以 一目了然地反映出机床各个轴向的定位情况，能够 以此判断出机床是否满足其使用要求。数控机床定 位精度的检测对于新机床验收也是一个非常重要的 环节，检测结果能够准确真实的反映出机床的精度， 是数控机床是否能够通过验收的一个重要依据。同 时也为故障机床修理提供了可靠的测试数据和维修 依据，对数控机床提供了质量保证，从而保障零部件 加工的质量。 参考文献 ［１］刘永久．数控机床故障诊断与维修技术（ＦＡＮＵＣ系统） ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［２］何龙．数控设备调试与维护［Ｍ］．重庆：西南交通大学出版社， ２０Ｏ６． ［３］邓朝晖．数控机床定位精度的研究［Ｊ］．北京：制造技术与 研究，２００８． 作者简介：李松，男，技术主管，助理工程师。工作单位：湖北航天技 术研究院计量测试技术研究所。 刘丽，唐晓林，张勇，湖北航天技术研究院计量测试技术研究所 （武汉４３００００）。