数控机床位置精度及标准-文献综述整理.doc

数控机床位置精度检测及标准研究一，数控机床位置精度定义数控机床定位精度是指机床各坐标轴在数控装置控制下运动部件所能达到的目标位置的准确程度。一个移动部件沿直线(或圆)向既定位置趋近定位，总会有定位误差存在。定位误差的基本特征分量主要有四项。1.系统误差系统误差是指在一定或整个行程中的系统性误差(图1。它的特殊部分就是周期性误差。产生系统误差的原因，主要是机床位移系统的基本元件(如丝杠、螺母、轴承等)或位移测量系统的基本元件(如刻线尺、同步感应器定尺等)或温度变化的影响等的误差。而丝杠止推轴承的轴向振摆以及由旋转编码盘测量位移时的码盘一转累积误差，将引起它的周期误差部分。系统误差对定位精度影响很大，尤其周期性误差的存在，将使移动长度的很小改变，导致位置误差的很大变化。如图1中移动长度L2仅比L1稍大一些，其位置误差A2却比A1大许多，尤其当从P1点移动长度L3到P2点时，会产生A3这样更大的位置误差。2.分散性(即随机误差)分散性是机床移动部件反复移向各个目标位置时，实际到达位置的精确性。分散性受移动速度、导轨摩擦特性、热、力、读数视差等因素的影响。它可由反复向同一目标位置沿同方向多次定位得到(图2).3.反向定位的失动量失动量为在向某一位置作正向和负向定位后，两个静止位置之差。失动量的产生，一是驱动电机、传动元件和机床执行件间存在着间隙，二是传动系统的柔度和导轨摩擦特性的影响。失动量的测量如图3。对于每一个特定点的目标位置，应分别测量正向和负向趋近目标位置N次的平均值和，然后取其代数差值。4.最小可能移动量最小可能移动量，是机床移动执行件实际能够给出的最小位移量。该移动量理论上应为机床数控系统的脉冲当量(对数控机床而言)，但由于导轨的摩擦、传动系统柔度、工作台及其上面放置工件的质量所引起的惯性以及润滑条件等的综合作用，它往往大于脉冲当量值。对于微小量进给加工和校正移动的准确性来说，最小可能移动量十分重要。所以，应该规定其最大允许值，并加以检验。除上述四种特征分量之外，对有坐标原点之坐标行程的检测，尚有一个测量原点复归精度(一般多由热影响所致的“零点飘移”引起)的问题，亦应进行测量并规定允差。对于数控机床，还应考虑维持伺服驱动的速度输出与稳态下位置误差间成正比关系的位置回路增益，以及伺服控制驱动对步进速度输出指令的响应这两个动态分量的影响。定位精度也可以理解为机床的运行精度。各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的,各运动部件在程序指令控制下所能达到的精度直接影响加工零件的精度,它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性,所以定位精度是一项很重要的检测内容。因而定位精度也是加工中心机床最重要的，最具有该类机床特征的一项指标。机床位置精度的主要检测项目有:(1)直线运动位置精度(X ,Y,Z,U,V,TY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)回转运动定位精度(A,B,C轴);(5)回转运动重复定位精度;(6)回转运动反向间隙(失动量)测定。二，数控机床位置精度检测的常用方法数控机床位置精度检测的常用方法中，国内比较常用的方法有块规法和线纹尺，近年来随着大家对数控机床位置精度检测的重视，已经有越来越多的厂家开始使用国际上比较流行的双频激光干涉仪对机床进行检测。2.1 线纹尺显微镜检测法2.1.1 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(单独偏差)。当数控机床沿被测坐标轴的轴线方向上作直线移动到目标位置p1,p2,p3,pj时(下标为目标位置序号),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,经过误差修正得到该目标位置的实际位置pij(i为检测序号)。根据GB10931-89中的位置偏差定义,实际位置减目标位置之差值即为该测点的位置偏差即: (2-1)根据这些位置偏差及位置精度的评定方法,经过数据处理,即可得到该轴线的定位精度!重复定位精度和轴线的反向差值等精度指标2.1.2. 测量方法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2-1 a示,反复调整线纹尺,使之与被测坐标的轴线方向一致,若检测竖直方向(Y轴或Z轴)的位置精度,可用方箱作为定位基面。如图2-1 b示。图2-1a 图2-1b2.1.3 目标位置Pj及循环方式的选择目标位置的选择必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,一般应符合式(2) pj=(j-1)t+r (2-2)式中:j目标位置序号;j取1,2,m,T目标位置的间距;应取整数,丝杆传动时,t不应等于导程的倍数R目标位置的取值的小数部分,位数与最小设定单位相当,每个目标位置可按一定方式(如递增或递减)取不同值,当j=1时,取r=0当选择目标位置的数目时,需考虑测量范围的尺寸和需要的测量时间,据国外有关资料要求,每一测量线上至少应选择m=11个目标位置。运动换向需要的起点和终点位置应靠在被测坐标轴线的端点位置。循环方式是指测量时机床运动部件的循环运动的方式。一般有线性循环和阶梯循环两种方式。2.1.4 测量测量前被测机床和线纹尺等应在205室温内等温12h。测量时将三只分度值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。测量时应控制温度的变化率,空气温度的稳定性应不超过0.12/小时。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按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。2.1.5 误差分析根据上述测量原理及方法,其测量误差来源及分析如下a.仪器的极限误差1im1b.标准件的误差1im2它是标准器本身固有的误差,与测量方法无关。c.安装误差1im3它主要是由测量轴线(线纹尺)与机床移动的轴线不平行而引起的误差。其量值大小与其测量长度L及两轴之间夹角H的余弦成正比即:1im3=L(1-cosH)(式2-3),由于用杠杆千分表进行校正,其,此项误差可忽略不计d.温度误差1im4由(2-3)式微分可得: (2-4)式(2-4)中,表示由于线纹尺和机床光栅尺的线膨胀系数不准确而造成的误差由长度计量手册中查出最大差值。表示由于测量过程中温度测量不准确而造成的误差则1im4= （2-5）e.估读误差1im5其测量总误差为:1im总= (2-6)从上面分析可以看出,在诸项误差中,温度误差中的线膨胀系数的误差和温度测量的误差两项是影响最大的,它不但包括温度测量的误差,还包括标准件和被测件各部位的温度均匀性。为了减少这项误差,要求在测量时,标准件和被测件需在恒温条件下长时间等温,以保证各处温度的均匀性;同时要尽量提高温度测量的精度。另外,如果测量时安装不得当,由安装所造成的误差也是不可忽略的。2.2 双频激光干涉仪检测法2.2.1双频激光干涉仪的工作原理激光干涉测量原理如图2-2所示将He- Ne激光器1置于永久磁场中，由于塞曼效应使激光原子谱线分裂为旋转方向相反的左右圆偏振光。设两束光振幅相同，频率分别为和（和相差很小）。左右圆偏振光经片2后变成振动方向相互垂直的线偏振光。分光器3将一部分光束反射，经检偏器4形成f 1 :f 2拍频信号。由接收器5接收为参考信号;另一部分光束通过分光器3进入偏振分光器6,其中平行于分光面的频率为的线偏振光完全通过分光器6到达可动反射镜8，可动反射镜8以速度V移动时，由于多普勒效应产生差频，这时变成（).而垂直于分光面的频率为f 1的线偏振光完全发射到固定反射镜7。从反射镜7和8发射回来的两束光到偏振分光器6的分光而会合，再经转向棱镜9,偏振器10，由接收器11接收为测量信号，测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差。计数器在时间t内计取频率为的脉冲数N相当于在t区间内对f积分，即: (2-6)由于 而所以 （2-7）故测量距离L为式中 N累计脉冲数 激光波长 C光速因此，当移动可动反射镜8时，可通过累计脉冲数得到测量距离。当把测量距i离与数控机床上的光栅尺读数相减时即可得到数控机床的定位误差。2.2.2雷尼绍激光校准系统下面以使用英国雷尼绍激光校准系统进行线性测量为例，介绍双频激光干涉仪检测法：(1)线性测量原理图 2-3 线性测量的光学设置将一个线性反射镜连接到具有两个紧螺纹的分光镜上，组成“线性干涉镜”，作为激光束的参考路径。线性干涉镜位于ML10激光器和线性反射镜之间的光束上，如图2-3所示。分光镜管上标有两个箭头显示其方位。箭头应指向两个反射镜，如上图所示。图 2-4 测量原理ML10激光器的光束射入线性干涉镜，再分为两道光束。 一道光束（参考光束）射向连接分光镜的反射镜，而第二道光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜。两道光束再反射回分光镜，重新汇聚之后返回激光头，由激光器内部的一个探测器监控两道光束间的干涉。在进行线性测量时，保持其中的一个光学元件不动（通常为干涉镜），而另一个则沿着线性轴移动，如图2-4所示。定位测量是通过监控测量及参考光束间光路差异的变化进行的（两个光学元件间的差分测量与ML10激光器的位置无关）。通过测量结果与待测机床的标尺读数比较，便可测得机床精度的任何误差。用于测量线性定位的典型系统设置如图 2-5 所示：图 2-5 用于测量定位的典型系统设置（2）进行线性测量的一般步骤：a.设置激光器系统b.使激光束与机床的运动轴准直。c.启动自动环境补偿功能并在软件中输入正确的材料膨胀系数。d.测量和记录机床的线性误差。e.分析采集到的数据。(3)线性准直步骤假定光学镜组设定如图2-6所示。在该图中，线性干涉镜是固定光学镜，而反射镜是移动光学镜。图 2-6线性干涉镜及反射镜的定位 1. 调整三脚架及激光器，使其垂直指向测量镜组。利用机架作为瞄准线，目测使激光器与运动轴基本准直。2. 旋转光闸，以便激光器发出图 2-7 中所示的直径变小的光束。光束的直径越小，越容易看出光路是否准直。图 2-73. 移动机床，使线性反射镜靠近激光器，并将一个光靶置于前端，白点在上。平移激光器或机床，直到光束击中光靶上的白点。图 2-84. 取下光靶，检查从反射镜返回的激光束是否击中 ML10 光闸上的光靶中心。平移激光器或机床，直到激光束击中光靶的中心。图 2-95. 使线性干涉镜与反射镜相互靠近，如图 2-10 所示。当两者位置离得很近时，只需调整激光头就能完成其余部分的准直调整。图 2-106. 确保干涉镜和反射镜的外表面互相准直并与机床垂直。如果干涉镜歪斜，精度就会下降，并可能因光束被遮断而导致检测失败。7. 将光靶安装在干涉镜的入射光孔中，使白点在上，并垂直和水平平移干涉镜，以便光束击中光靶。图 2-118. 从线性干涉镜取下光靶，并检查从干涉镜返回的激光束是否击中从反光镜返回的激光束上方的 ML10 光闸上的中心。平移干涉镜，直到激光束击中白色光靶的中心。 9. 图 2-12当对使用这个系统很有经验，可以使用简便快捷的快速准直步骤。a.沿着校准轴移动反光镜一小段距离，将光靶安装到反光镜上。准直激光器，使光束通过整个运动轴击中光靶的中心。b.从线性反射镜中取下光靶，如有必要，水平平移激光头，以便从线性干涉镜和反光镜中返回的光束击中光闸上的光靶。图 2-13c.垂直平移激光头，使光束回到光靶的中心。图 2-14d.依照快速准直步骤，检查返回的光束在激光头的准直度。在激光头处，任何光束的光路准直误差产生的影响都会加倍，可以很容易发现。光镜快速准直步骤a.沿着运动轴将反射镜与干涉镜分开。图 2-15b.移动机床工作台，当光束离开光靶外圆时停止移动。图 2-16 垂直光束调整 c.使用激光头后方的指形轮使两道光束回到相同的高度。图 2-17d.使用三脚架中心主轴上的高度调整轮使激光头上下旋转，直到两道光束都击中光靶中心。图 2-18水平光束调整e.用三脚架左后方的小旋钮，调整激光头的角度偏转，使两道光束彼此重叠。 图 2-19f.用三脚架左边中间的大旋钮，调整激光头的水平位置，使两道光束击中光靶的中心。图 2-20g.沿着运动轴重新开始移动机床工作台。在看到光束移开光靶时再次停止。重复步骤3到6，直到完成整个轴向的光镜准直。h.达到轴的末端时，将机床移回，使反光镜及线性反射镜互相靠近。重复步骤a到h，直到两道光束在整个运动轴长度范围内都保持在光靶的中心。i.保持光束和测量轴准直。将光闸旋转到其测量位置，如图3-14所示。当反光镜沿着机床的整个运动长度移动时，检查线性数据采集软件中显示的信号强度。图 2-21接下来，启动环境补偿功能并确保在软件中输入正确的材料膨胀系数。然后采集线性数据。2.2.3 测量误差分析双频激光干涉仪的误差项目包括：(1)双频激光干涉仪的极限误差= (2-8)式中： L-测量的长度(m)(2)安装误差2它主要是由测量轴线与机床移动的轴线不平行而引起的 (2-9)式中: L-测量的长度(m)-测量轴线与机床移动的轴线之间的夹角由于光路准直,值趋于0,故此项误差忽略不计(3)温度误差3它主要是由机床温度和线膨胀系数不准确而造成的 (2-10)式中: L测量的长度(m)机床温度测量误差A机床材料线膨胀系数线膨胀系数测量误差从上面分析可以看出,在各项测量误差中,温度误差对测量结果的准确性影响最大,所以,为了保证测量结果的准确性,测量环境温度应满足205度,且温度变化应小于0.2/h,测量前应使机床等温12h以上,同时要尽量提高温度测量的准确度。另外,如果测量时安装不得当,由安装所造成的误差也是不可忽略的三，数控机床位置精度检测中使用的相关标准目前,国际上比较通行的标准有NMTBA(美国机床制造商协会标准)、JIS(日本工业标准)、VDI/DGQ(德国工程师协会/德国质量协会标准)、ISO(国际标准)等。数控机床各轴的位置精度测试,通常要进行定位精度、重复定位精度、反向偏差JIS标准称为“失动量(Lostmotion)、原点返回等多项目测试。在本课题中，我们将探讨国际常用标准中的国际标准(ISO 230-2)、德国标准（VDI/DGQ 3441）、日本标准(JIS B6336)及我国标准GB10931-89. 3.1国际标准 ISO230-2国际标准是由ISO的TC39技术委员会(即机床技术委员会)于1986年起草，并于1988年11月首次正式颁布。该标准采用三项参数评定机床的位置精度、即:定位精度、双向重复定位精度及平均反向误差。3.1.1坐标轴的定位精度 (3-1)从公式可以看出，定位精度不考虑位置和运动方向，由两个极值与之差的最大值来确定。这个定义适用于单向和双向定位精度。定位精度A与VDI/DGQ 3441中P相类似。3.1.2双向重复定位精度: (3-2)R类似于VDI/DGQ 3441中的3.1.3平均反向误差(在一个位置上的反向误差) (3-3)平均反向误差B相当于VDI/DGQ 3441中的U。从上述三项参数计算式中可以看出.位置精度是用统计方法求得的。3.2中国标准 GB10931-89我国参照国际标准化组织1988年制定的IS023G-2标准的主要内容，于1989年制定了国家标准数控机床位置精度的评定方法GB10931一89。据此，数控机床的位置精度主要评定以下三项精度指标:3.2.1机床的重复定位精度R由于实测中测量次数n小于10，则宜采用下式计算标准偏差值，来代替 (3-4)式中字母的含义同前，只是可用，代入，可用，代入。3.2.2各测点的重复定位精度 (3-5)式中 j坐标轴上各测点的位置序号，j=1,2,3.m所以机床的重复定位精度为各测点重复定位精度和中的最大值，即: (3-6)3.2.3机床的定位精度A机床的定位精度为双向趋近各目标位置时、中的最大值与、中的最小值之差值，即: (3-7)3.2.4机床的反向差值B(反向间隙)此项误差值为各目标位置反向差值中的最大绝对值，即: (3-8)3.3德国标准 VDI/DGQ 3441原西德工程师协会和质量学会联合制定的技术规范。该标准于1977年3月发布。从欧洲进口的数控机床大都采用这一规范。本规范规定评定位置精度的参数有以下五项:3.3.1位置公差:在机床工作轴的工作范围内，允许的总偏差由位置公差决定，求出机床每根坐标轴的位置不可靠性必须小于或等于制造商所给定的机床的位置公差数值(即极限允差)。3.3.2位置不可靠性P:P是在被检轴上求出的总偏差，它包括下列参数:位置偏差，反向量差及位置分散幅度。这一参数相当于其他标准的定位精度。3.3.3位置偏差:是系统误差，是在被检轴上全部测量位置的平均量值之差的最大值。3.3.4反向量差U:U也是系统误差，是在被检轴的每个位置上，正、负两个方向趋近目标位置而测出的平均量值之差。 该参数在不同的文献中还被称作“失动量”、“回程误差”和“回程间隙”等，但称“反向量差”或“回程误差”似乎更合理。3.3.5位置分散幅度:是随机误差，它反映了被检轴每个测量位置上的位置偏差的分散程度。VDI/DGQ 3441规定应用统计方法求得。该参数相当于其他标准的重复定位精度。 下面分三步解释这几个参数的计算:第一，平均值与标准偏差在位置P;正向、负向测量值的平均值分别为 （3-9） （3-10）在位置与目标位置的系统误差 （3-11） （3-12）在位置正向、负向测量量值的标准偏差分别为 （3-13）在位置量值的平均标准偏差 （3-14）第二，中间计算结果在位置的位置分散幅度在位置的反向量差第三，计算四个评定参数位置偏差 （3-15）最大位置分散幅度 （3-16）(有时用平均位置分散幅度) （3-17）最大反向量差 （3-18）(有时用平均反向量差) （3-19）位置不可靠性 （3-20）3.4日本标准 JIS B 6336该标准于1974年制定，并于1980年修订。 该标准也用三项参数评定位置精度，即:定位精度、重复定位精度和失动量。3.4.1定位精度:单方向测取各自目标位置的定位量值，然后取作为定位精度值。3.4.2重复定位精度;在坐标轴行程中间和两端各取一个目标位置，同方向趋近这些位置7次，取7次测量值之极差值的一半作为各位置的重复定位精度，然后取三个值中的最大值作为该坐标轴的重复定位精度，并加士表示。3.4.3失动量:尽管日本标准也规定失动量，但在很多采用日本标准的生产厂家的精度验收表中，往往都忽略了这项参数，其原因不明参考文献1,魏小宁，李言，郭涛，李清，胡红. 数控机床新验收方法.制造业自动化.2001（9） 第20页2,张纪文 崔淑