数控机床定位精度自动螺距补偿功能的应用

    沈阳第一机床厂是我国目前数控机床产量最大的知名企业之一，年产数控机床5000余台。为了确保产品质量，满足用户的要求，进一步缩短生产周期，沈阳第一机床厂近几年引进多台英国雷尼绍(Renishaw) 公司生产的ML10激光干涉仪、球杆仪和自动误差补偿软件。在生产现场和产品加工检测的过程中，积累的测量经验和体会，现介绍给广大读者。

    一、螺距误差自动补偿的系统配

    置雷尼绍公司针对多种数控系统为用户开发了一系列可供选择的误差自动补偿软件，包括:

    1) FANUC0M，0T系列

    2) FANUC10，11，12，15，16，18，20，21 系列

    3) SIEMENS 800系列，

    4) MAZA K M2Plus，M2，M32

    5) NUM 750，760，1060

    6) CINCINNA TI A850，A850SX，A950

    7) Acromatic 2100

    用户可根据自己的需要进行自由选择。由于软件使用界面均为中文，而且针对不同数控系统所采用的操作步骤完全一样，因而方便了对该软件的了解和掌握。目前采用的数控系统中， 较多的是FANUC 0和SIEMENS 800 系列。

图1 　测量结构示意图

二、实现数控机床自动螺距误差补偿具体步骤

    1、准备

    给被补偿机床产品命名。

图2 　误差补偿步骤1

    2、选择控制器

    选择与机床数控系统型号对应的软件。

图3 　误差补偿步骤2

    3、选择传递方法及设定

    选择相应的RS232 通讯电缆联接。

图4 　误差补偿步骤3

    为了对数控机床的主轴实现自动螺距误差补偿，自动补偿软件需要设定通讯参数，计算机与数控系统之间通过相同的RS232 通讯电缆相联接，要求其所用的参数相匹配。

    1) 波特率　指计算机与数控系统传送数据的速度。

    2) 数据位　指计算机与数控系统传送数据的形式。数据位可以设为7 或8 位，若用8 个数据位传送时间会长一点。

    3) 奇偶校验位　指计算机与数控系统检查接收数据是否发生错误的方式。当设定“奇”或“偶”时，表示校验方式开启，当设定“无”时表示校验方式关闭。

    4) 停止位　指计算机与数控系统在每传送7或8个数据位后要加停止位(1位、1.5位和2位) ，为了能够达到同步通讯，在传送中若发现某些数据错误，可以增加停止位来克服该问题。

    5) 硬件握手　指计算机与数控系统之间的接收者告诉传送者暂停传送方式。为了保证接收端不丢失所传送的任何数据，握手是先在通讯电缆的某一特定信号线上改变其电压值来进行的，这些信号通常为RTS和CTS，但也可能为DSR和DTR。

    4、试行检查及接收数据

    首先计算机从数控系统中接收某一参数，检查计算机接收是否正常，然后再从数控系统中获取机床原参数。

图5 　误差补偿步骤4

    5、确认补偿数据细

    节接收到的参数被自动补偿软件看成为“老机床参数”，它们反映出机床数控系统在补偿前是如何配置的，获取的机床参数存入计算机硬盘上，其文件类型为OMP，对同1型号产品仅需获取1次，不必每次都获取机床。

图6 　误差补偿步骤5

图7 　误差补偿步骤6

    6、选择被测量轴及键入细节

    定义目标位置是为了自动采集软件能够沿着被测量轴采集到离散的定位误差。而这些目标位置与后来自动补偿软件计算出的补偿值所在位置并无直接联系。因为每一个误差补偿值是根据在该点2边目标值的误差进行插补而计算得到的。因此定义目标位置不必与误差补偿点设为相同，同时目标点数也不必与后来计算的补偿点数相同。特别是被补偿轴的先决条件必须在保证重复定位精度达到标准要求前提下进行的。

    7、将被测量轴误差补偿参数清零

    在进行补偿前，必须先将数控系统中被补偿轴的反向间隙和螺距误差补偿参数单元清零，避免在测量各目标点位置误差值时，原补偿值仍起作用。

    1) 逐点把反向间隙和螺距误差补偿参数单元清零。

    2) 将补偿轴的补偿功能失效。

    3) 将补偿比例因子设定为零。

    上述工作完成后关机，重返参考点，确保绝对坐标与机器坐标相同。

    8、调整激光和光学镜

    首先确定被补偿轴，并调整激光器和光学镜达到测量状态。

    9、 产生目标点

    为测量数控机床定位误差，必须制定被测量轴一系列目标位置，并让机床运动部件依次在各目标位置准确的采集数据。

    目标位置包括:

图8 　误差补偿步骤9

    1) 沿被测量轴的首位目标位置。

    2) 沿被测量轴的最末目标位置。

    3) 相邻目标位置之间距离。

    4) 所需目标点数。

    当被测量轴的首尾目标点不能与机床行程软、硬操作的限位设置在一起，应要考虑≥0. 1mm的越程值;一般数控系统要求误差补偿值根据参考点来计算。因此参考点必须位于补偿长度首尾之间。但在被测量轴目标分布时其中的某一目标点并不一定要求在参考点上。

图9 　目标分布

    10、自动制作零件程序

    1) 程序号或程序名　用以识别存入数控系统中的软件。

    2) 轴名　是指被测量轴。

    3) 运行次数　采用≥1 次。运行次数越多，其补偿效果就越精确。多数系统补偿是取正反方向上各目标点的平均误差值来计算补偿值。

图10 误差补偿步骤10

    4) 循环方向　采用双向。双向是指机床运动部件以正反两个方向分别运动到每一个目标位置，同时也考虑到了补偿反向间隙误差。

    5) 暂停周期　采用≥2s。暂停周期是指机床运动部件在某目标位置到有下一目标位置前的暂停时间，注意最小停止周期不能大于机床暂停时间，否则误差数据永远也采集不到。一般最小停止周期设为机床暂停周期的一半。

    6) 越程值采用≥0.1mm。越程是指在测量长度的首尾目标位置两端调头换向的区域，主要是考虑机床运动部件在换向时消除任何反向误差。

    7) 进给量　根据机床产品而定。进给量是指机床运动部件在某目标位置到向下一个目标位置的进给速率。

    8) 数据采集方式　采用线性方式。另有摆动法或等阶梯方式可选。
    将上述设定编辑完成后，机床运动程序自动存入计算机硬盘，其文件类型为RPP ，不同的机床产品型号只需编辑一次并保存起来，需要时调出来即可。如果产生新的机床运动程序，只需覆盖该RPP文件即可。

    计算机自动产生机床运动程序如下:

    00023

    ( ERROR COMPENSATION RENISHAW)

    N0030 G01 G94

    N0040 G90 F1000

    # 1 = 0

    # 2 = 5N0070 (LOOP START)

    G04 X1.

    G01 Z000. 000

    G04 X5.

    G04 X5.

    G01 Z050. 000..

    G01 Z000. 000

    G04 X5.

    # 1 = # 1 + 

    1IF [ # 1 NE # 2 ] GO 70

    M30

    11、将运动程序向数控系统传送

    首先将数控系统设置为接收数据状态，应注意所传送文件的程序号或程序名不能与数控系统中已有程序号或程序名相同。如果发生错误一般数控系统拒绝接收程序并给出错误信息。

    12、采集原始数据并分析数据

    将激光调整为测量状态，采用自动数据采集方式，数控系统将执行计算机传送给机床的运动程序。此时应该注意将数控系统的进给速率降低，以免发生碰撞。目前激光测量数控机床位置精度的依据是GB/T16462-1996《数控卧式车床精度检验标准》。采用线性数据采集方式，主要是考虑机床运动时带来的升温比较小。测量结束后将采集数据存入计算机硬盘，其文件类型为RTL 文件格式，然后根据测量分析软件查看测量结果。

    13、 产生误差补偿值

    现在RTL 文件里已经包含了自动补偿软件在各次循环中各目标点所测得的平均误差值，自动补偿软件可自动计算出补偿值，数控系统能够在补偿比例因子范围内将偏移误差值进行位置修正来完成螺距误差的补偿。

图11 　补偿参数
    14、将误差补偿值传送给数控系统并检查补偿效果

    将自动补偿软件计算出的误差补偿值存入计算机硬盘，其文件类型为NMP文件。将计算出误差补偿值传送给数控系统，然后再次执行机床运动程序，重新采集各目标点的位置误差数据。

    15、检查补偿结果

    通过测量分析软件，依据GB/T16462-1996《数控卧式车床精度检验标准》，数据处理及评定标准根据GB17421-2000 标准或国际标准进行评定机床被补偿轴的位置误差是否在公差范围内。如果达到公差要求，则机床位置误差补偿工作完成;如果未达到公差要求或需要达到更精度要求，可以采取增加目标点数量和重复位置误差补偿过程以达到最满意的补偿结果。

图12 　补偿前结果分析

图13 　补偿后结果分析

    三、对螺距误差补偿功能使用的建议

    螺距误差补偿功能的开发不仅提高了数控机床定位精度，而且缩短了生产周期，同时还可以降低机床成本(可降低滚珠丝杠等级)。在使用螺距误差补偿功能时要做好前后的辅助工作。

    1) 在激光测量前必须确保机床的几何精度合格及机床装配的完整性，或不影响激光测量结果的前提下进行测量。

    2) 被补偿轴必须在确保重复定位精度合格的前提下进行螺距补偿。

    3) 进行螺距补偿的数控机床在出厂前应在《机床精度检验单》或《机床电器参数表》上注明该机床使用了螺距补偿参数，并给用户附带机床螺距补偿参数表。

    4) 在螺距补偿时所设定的机床参考点应该做好标记，并且在《机床精度检验单》或《机床使用说明书》上说明其用途。

    5) 同一产品的机床参考点在设定时要求统一。