机械机床毕业设计175数控机床位置精度的检测及补偿.docx

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机械机床毕业设计175数控机床位置精度的检测及补偿

第1章绪论

1．1数控机床在机械制造业中的位置

随着中国成为当今世界倍具吸引力的国际机床大市场，一批具有相当规模、较高技术含量的国际加工组装基地出现在中国内地。

不少跨国公司还把研发中心移到我国，出现了世界制造中心向我国逐渐转移的态势。

全面开放的良好环境为我国制造业发展带来了历史性机遇“中国制造”的影响力越来越大。

数控机床产业是制造业的基础产业和战略产业是国民经济的重要支柱是保证国防和尖端工业发展的战略资源。

1．2我国数控技术发展概况

我国数控技术始于1958年，发展历程大致有3个阶段：

第1阶段从1958-1979年，即封闭式发展阶段，在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。

第2阶段是在国家的“六五”“七五”期间及“八五”的前期，引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。

在此阶段，由于改革开放和国家的重视，及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。

第3阶段在国家的“八五”后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段，此阶段我国国产数控装备的产业化取得了实质性的进步。

在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达到50%，配国产数控系统（普及型）也达到了10%。

纵观我国数控技术近50年的发展历程，尤其是经过4个5年计划的攻关，取得了以卜成绩：

①奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术即从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。

②初步形成数控产业基地，在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂和产业基地。

兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若千数控主机生产厂。

③建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。

虽然在数控技术的研究开发及产业化方面取得了长足的进步，但我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求有较大的差距。

从纵向看，我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比），技术水平有差距，即一些高精尖的数控装备技术水平差距有扩大趋势。

从国际来看，我国数控技术水平和产业化水平情况大致是：

①技术水平上，与国外先进水平大约落后10-15年，在高精尖技术方面则更大。

②产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。

③可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发，工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、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别。

第2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

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。

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。

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。

（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2-1）。

图2-1定位误差的分布曲线

正态分布曲线具有以下特点：

a、曲线呈钟形，且呈对称性。

误差值在附近出现的概率占大部分，而远离的概率极小，且大于和小于的概率相等。

b、误差的平均值（即平均位置偏差）是曲线的一项主要参数。

它决定了分散范围的中心偏离目标值的程度。

因此，该值表明了定位误差中系统性误差的大小，它按下式计算：

（2-1）

式中——每一次定位时实测的误差数值（i=1，2，······，n）；

——重复定位（测量）次数。

c、均方根误差是正态分布曲线的另一项主要参数，按下式计算：

（2-2）

的大小决定了曲线的形状和分散范围的大小。

愈大，曲线愈平坦，误差分散范围愈大，即精度愈低。

愈小，曲线愈陡峭，误差分散范围愈小，即精度愈高。

d、分散范围（即离散带宽）反映了定位误差中的随机性误差部分。

由于误差在以外出现的概率只占0.27%，可以忽略不记，故将分散范围取为6，6表明了随机性误差的最大可能误差。

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，即定位误差A为：

（取绝对值较大的一个）（2-3）

（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，即重复定位误差R为：

（2-4）

图2-2双向趋近时的误差分布曲线

（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。

图2-2所示为双向趋近某一点定位时的误差分布曲线。

从正、反向趋近定位点时，平均位置偏差分别为和，其差值称为反向差值B，即

（2-5）

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。

2．1．3实际检测中定位精度的计算

实际检测中因测量次数较少，一般测量次数n<10，此时应采用下式计算标准偏差值S来代替，

（2-6）

因此，定位精度A及重复定位精度R应按以下公式计算

（取绝对值较大的一个）（2-7）

（2-8）

当移动部件从正、反两个方向趋近某一点定位时，根据测量得到的误差值可以分别计算得到正向定位时的、值、以及反向时的、值，从而计算得到正向的定位精度、和方向的、以及反向差值B。

2．2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2-3所示。

图2-3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2-3b）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2-3a）。

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。

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散差带构成的定位点散差带，如图2-4所示。

图2-4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，甚至于出现图2-5所示的情况。

平等型曲线即正向曲线和反向曲线在垂直坐标上很均匀的拉开一段距离，这段距离即反映了该坐标轴的反向间隙。

这里可以用数控间隙补偿功能修改间隙补偿值来使正、反向曲线接近。

交叉型曲线和喇叭型曲线这两类曲线都是由于被测坐标轴上反向间隙不均匀造成的。

滚珠丝杠在行程内间隙过盈不一致和导轨副在行程各段的负载不一致等是造成反射间隙不均匀的主要原因。

反射间隙不均匀现象较多表现在全行程内一头松一头紧，得到喇叭型的正、反向定位曲线。

如果此时又不恰当地使用数控系统的间隙补偿功能，就造成交叉型曲线。

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0.01～0.02mm。

为此，有些机床采用预拉伸的方法来减小热伸长的影响。

图2-5几种不正常的定位曲线

（2）直线运动重复定