机床检测精度分析.docx
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机床检测精度分析
反向间隙－负值（机器误差）
图形
图形中有沿某轴线开始向图形中心内凹的台阶，负值反向间隙的大小通常不受机器进给率的影响。
在本图中仅在Y轴上显示有负值反向间隙。
诊断值
各种类型的反向间隙按反向间隙-正值所述同一方法进行了量化。
然而，负值反向间隙可根据计算出的负值轻易区分出来。
例如：
台阶大小（μm）
X
-0.6
-0.5
Y
-14.2
-14.2
在本例中如图所示，Y轴正负方向均存在相同大小，为-14.2μm的负值反向间隙或失动量。
可能起因
在机器的导轨中可能存在间隙，导致当机器在被驱动换向时出现在运动中跳跃。
用于弥补原有反向间隙而对机器进行的反向间隙补偿的数值过大，导致原来具有正值反向间隙问题的机器出现负值反向间隙。
机器可能受到编码器滞后现象的影响。
对加工带来的影响
在机器上负值反向间隙的影响为园弧插补的刀具轨迹将出现一向内凹的跳跃。
推荐对策
检查数控系统反向间隙补偿参数设置是否正确；
检查机器是否受到编码器滞后现象的影响；
去除机器导轨的间隙，可能需要更换已磨损的机器部件。
参见正值反向间隙或不等值反向间隙
Backlash-Negative-Iss1.4
反向间隙－正值（机器误差）
图形
图形中有沿某轴线开始有一个沿图形中心外凸的台阶或数个台阶，反向间隙的大小通常不受机器进给率的影响。
在本图中仅在Y轴上显示有正值反向间隙。
诊断值
X轴及Y轴的反向间隙按下述格式进行量化:
反向间隙（μm）
X
+0.6
+0.5
Y
+14.2
+14.2
在本例中如图所示，Y轴正负轴双方向均存在相同大小为-14.2μm的正值反向间隙或失动量。
同各种其它类型的反向间隙相对应，正值反向间隙给出量化结果为正值。
（参见反向间隙-负值和反向间隙-不等值章节。
）
可能起因
在机器的驱动系统中中可能存在间隙，典型的原因是因滚珠丝杠端部浮动或驱动螺母磨损。
在机器的导轨中可能存在间隙，导致当机器在被驱动换向时出现运动的停顿。
可能由于滚珠丝杠予紧力过大带来的过度应力而引起丝杆扭转的影响，进一步信息参见反向间隙-不等值。
对加工带来的影响
在机器上正值反向间隙的影响为园弧插补的刀具轨迹将出现一短平台。
图中所示为在接近Y轴前后机器如何从开始以近乎理想圆运行，然后由于机器停顿而偏离理想园。
由于机器表现出向理想园外运动，图形刻度调整将实际切削零件上的平台转换成在诊断图形中的反向间隙。
如果e是诊断图形上反向间隙的高度，则在切削的零件上的平台长度可以根据将e乘以被切零件直径再取其积的平方根来得到。
例如,在实际切削300mm直径的工件时，一个10μm大小的反向间隙的将带来1.7mm的平台。
推荐对策
去除机器导轨的间隙，可能需要更换已磨损的机器部件。
另外，也可利用数控系统反向间隙补偿参数设置来对机器中存在的反向间隙进行补偿。
Backlash-Positive-Iss1.1
反向间隙－不等值（机器误差）
图形
图中或表现出在某轴上双向不等大小的反向间隙，或在具备反向间隙补偿功能的机器上的某轴上双向甚至出现相反符号的反向间隙。
在本图中仅在Y轴上显示有不等值反向间隙。
诊断值
各种反向间隙均如正值反向间隙所述以相同方式量化，在同一轴的正负方向可能出现很大的数值差，或在同一轴的正负方向出现正值和负值反向间隙。
可能起因
由于滚珠丝杠中过大扭曲而引起反向间隙的影响，它相对该轴滚珠丝杆驱动端的不同位置而引起不等值反向间隙类型的图形。
可以在具有反向间隙补偿的机器上将该差异调整均化，导致在该轴出现相对台阶。
该扭曲可能由于丝杆磨损、螺母损坏及导轨磨损，这种类型的反向间隙若出现在立轴运动测试中，多半可能为平衡的影响。
对加工带来的影响
在轴的不同部位，机器加工零件的误差幅度有所不同。
推荐对策
去除施加给机器的所有反向间隙补偿值，这将可以让机器的问题彻底暴露出来；
检查该机器的滚珠丝杆或导轨的磨损迹象，可能需要维修或更新这些部件；
如果在机器立轴上下运动的测试中出现不等值反向间隙图，那麽平衡部件就可能是问题所在，从而需调整机器平衡系统。
Backlash-Unequal-Iss1.1
周期误差（机器误差）
图形
本图具有沿图形其频率、幅度均发生改变的周期性正玄误差， 沿Y轴测得的波长Dy值在整个圆周上近似为常数。
诊断值
X轴及Y轴的周期误差按下述格式进行量化:
周期误差（μm）
X
0.0
0.0
Y
9.5
9.5
本处给出的为该轴运动中周期误差的峰-峰值，箭头
指明该轴向前运动时随位置坐标增加而成正比，箭头
指明该轴后退运动时随位置坐标递减而减少。
这些数值如图中所示。
由于周期误差不总是在整个图中出现，因而有必要采用该测量技术，指出周期误差发生在图形的具体部位。
也可得到周期误差的螺距。
X轴及Y轴的周期误差根据测试中所采用的单位，以毫米或英寸按下述格式进行量化：
周期螺距X 4.0 mm
周期螺距Y 6.0 mm
可能起因
某一轴滚珠丝杠（本例为Y轴）具有周期误差的问题。
其可能的起因有如下几种：
∙该轴滚珠丝杠的螺纹磨损导致其在运动时无法保持匀速而出现正玄方式；
∙编码器的安装可能有偏心；
∙滚珠丝杠安装可能有偏心；
∙细分装置或感应式传感器未调整好。
如果起因为该轴滚珠丝杠，那么图形不会受运动方向的影响，顺时钟和逆时钟的图形如果出现某些不同，也应该是相近。
如果在立轴上下运动时周期误差仅在单方向出现，那么机器的平衡机构很有可能存在故障。
如果起因为机器的平衡机构，那么，图形将受到运动方向的影响。
通常，平衡故障在机器沿Y轴正向向前（即远离工作台垂直向上）运动时引起周期误差，由于平衡故障引起的顺时钟和逆时钟的图形如下图所示：
上图清楚地反映出平衡问题，因顺时针与逆时针各测试结果只有半圆出现周期误差。
对加工带来的影响
各种类型的周期误差机器加工带来的影响会出现尺寸误差。
推荐对策
利用诊断分析，分别观察顺时钟和逆时钟的图形来鉴别是滚珠丝杠故障还是平衡故障。
如果怀疑周期误差来源于滚珠丝杠，那么就调整滚珠丝杠或编码器的安装来消除周期误差。
如果怀疑周期误差来源于机器的平衡机构，那么就调整机器的平衡机构来消除周期误差。
如果需要的话，周期误差的螺距可按下述方法手工计算：
螺距=
x测试半径x2
上式给出了周期误差的螺距（式中Dy和y值为图中直接根据刻度得到，略去轴的比例），据此你可知道每一误差周期内机器运动的距离。
该值可与丝杠螺距相比较，误差幅度（峰-峰值）用e来表示。
注:
要正确诊断周期误差，特别是判断平衡机构故障引起的周期误差，取决准确的进给率。
如果你在进行周期误差诊断中能发现存在任何进给率误差因素，则诊断结果可能不准确。
你可以在多种不同的进给率下进行测试以判别机器是否存在周期误差故障。
CyclicError周期误差-Iss1.1
横向间隙（松动）-等值（机器误差）
图形
图形具有对称的桃/石头形。
横向间隙不受机器进给率的影响，然而它受方向的影响。
如果同时将顺时针和逆时针测试结果显示出来，那么一个图形将出现在另一图形内。
根据横向间隙具有正值还是负值决定了哪一曲线出现在另一曲线之中。
下图所示在Y轴具有等值的正值横向间隙从而导致顺时针曲线出现在逆时针曲线之中。
诊断值
X轴及Y轴的横向间隙按下述格式进行量化:
横向间隙（μm）
X
+0.9
-0.7
Y
+30.9
+30.9
诊断软件所给出的横向间隙的数值单位为微米或英寸。
在本例中由于Y
与Y
相等，图中出现等值横向间隙。
可能起因
横向间隙的主要起因在于机器导轨中存在间隙或松动，它将在机器轴作换向运动时出现垂直于导轨方向的运动。
它可与反向间隙作比较，反向间隙也是由于机器中的间隙引起，但它出现在与轴运动同一方向上。
如球杆仪圆形测试中可见，反向间隙为径向误差，而横向作用为切向误差。
在某些情况下，当诊断软件诊断出横向间隙为机器误差时，而它实际上却可能是因为半径变化或偏置变化引起的测试误差。
对加工带来的影响
机器将插补切削出不园的孔。
机器在受横向间隙影响的轴上一般表现出定位误差。
推荐对策
检查诊断出的横向间隙误差不是由半径变化或偏置变化测试误差引起。
检查半径变化和偏置变化的征兆未对测试结果带来影响，如果有影响则应重新进行测试来鉴别问题之所在。
如果诊断不是由于半径变化和偏置变化而引起的测试误差，那么就应调整或更新机器导轨以消除任何存在的间隙或松动。
参见横向间隙（松动）-不等值。
LateralPlay（Slop）-Equal横向间隙（松动）-等值-Iss1.1
横向间隙（松动）-不等值（机器误差）
图形
图形在相同轴上具有不等量大小的横向间隙，它可能出现如下图所示的心形/泪滴形图案，影响这类图形的因素将与横向间隙（松动）-等值相同。
诊断值
各种类型的横向间隙按横向间隙（松动）-等值所述同一方法进行了量化。
然而，不等值横向间隙可根据计算出该轴横向间隙的正值和负值轻易区分出来。
例如：
横向间隙（μm）
X
+0.9
-0.7
Y
+30.0
+15.0
注意，对不等值横向间隙的测量未在图中显示出来，因为它不会轻易出现。
上述图示数值为典型的在Y轴具有不等值横向间隙。
Y
值与Y
值不等。
可能起因
不等值横向间隙的起因同横向间隙（松动）-等值。
对加工带来的影响
不等值横向间隙的影响与横向间隙（松动）-等值相同，但其沿轴的不同方向其影响大小有所不同。
推荐对策
如能鉴别出不等值横向间隙，则应采取与横向间隙（松动）-等值相同措施。
LateralPlay（Slop）-Unequal-Iss1.1
主从伺服换向差（机器误差）
图形
图形在45度方向有台阶，台阶大小随进给率增加而增加，改变方向则产生镜象图形。
台阶有可能向里凹或向外凸。
注意该类型的图在外型上可与图形旋转测试误差图相类似。
诊断值
诊断软件对主从伺服换向无法得到量化结果。
可能起因
某些早期较老的控制器仅具备一次对一根轴进行综合插补的能力，在这种控制器上靠以恒定进给率驱动一根轴（主伺服轴）的同时改变另一根轴（从伺服轴）的进给率来产生园弧。
要产生整个圆周各轴在45度的地方必须更换功能。
下图显示一具体实例：
对加工带来的影响
主从伺服换向差的影响将产生质量低劣的插补园。
推荐对策
确保数据采集同步，在球杆仪软件准备好采集数据之前不要启动机器零件程序。
对机器各轴的伺服进行平衡，确保伺服换向尽可能平稳。
Master-SlaveChangeover主从伺服换向差-Iss1.1
偏置变化（测试错误）
图形
在图中顺时针和逆时针轨迹具有不同的中心，即它们存在偏置。
该偏置变化清楚地表示在下面：
诊断值
该类型的图形是测试误差的特征，因此未给出诊断数值。
然而，如果诊断软件发现该类图形，它将给出一条出错信息，警告可能出现偏置变化误差。
可能起因
顺时针和逆时针数据采集相隔时间太长，被测机床温度将在该段时间内肯定发生改变，导致机器尺寸发生改变。
机器主轴可能未锁紧，导致其在采集数据中旋转。
机器的中心支座在顺时针和逆时针数据采集间被碰过，造成机器在进行两次测试时其中心在工作台的部位不一样。
这也可能是由于中心支座未锁紧而引起的。
对加工带来的影响
诊断软件中出现偏置变化也可能诊断为大的横向间隙（松动）误差；这是不正确的诊断。
诊断软件中出现偏置变化的任何机器误差很可能不准确或不正确。
推荐对策
如果原因是顺时针和逆时针测试间相距时间过长，那么重新采集两个方向的数据，并保证两次采集间隔停顿时间不过长。
你应顺序采集顺时针和逆时针数据，除非绝对需要，则在两次测试间决不要长时间暂停。
如果怀疑球杆仪的任何部件有松动，则检查并紧固所有球杆仪连接部位。
检查中心座位置正确，机器主轴已被锁紧。
如果怀疑中心座被碰过，在数据采集中其位置发生改变，则必须重新定心。
详细信息参见球杆仪快速浏览。
当各种可能引起测试误差的起因均被消除后，重新采集数据并再进行诊断分析。
要得到有效的诊断图可参见测试提示和窍门中提供测试步骤的提示。
OffsetChange偏置变化-Iss1.1
图形不连续（测试错误）
图形
如下图所示，图形具有随机的尖峰、内凹和额外的噪声。
然而请注意，在各种测试图形中均可能存在少量的噪声。
诊断值
该类图形表征测试误差，因而无诊断值可给。
可能起因
球杆仪电缆或插头连接松动，引起球杆仪软件在传递采集的数据时出现问题。
球杆仪连接部位有松动，造成球杆仪长度在数据采集中出现随机波动。
在某些场合，图形中看似“图形不连续”类型的图，实际是由于爬行引起。
在某些场合，图形中看似“图形不连续”类型的图，实际是由于机器振动引起。
带来的影响
由诊断软件诊断出的机器误差可能不准确或不正确。
推荐对策
如果怀疑球杆仪任何部件有松动，那么检查球杆仪各连接部位是否紧固。
同时也检查球杆仪电缆和插头，使其连接良好并无损坏。
如果在低速计算机上运行球杆仪软件，可能会带来此类问题。
检查系统指标并满足其最低要求。
当各种可能引起测试误差的起因均被消除后，重新采集数据并再进行诊断分析。
要得到有效的诊断图可参见测试提示和窍门中提供测试步骤的提示。
PlotDiscontinuity图形不连续-Iss1.1
图形旋转（测试错误）
图形
如下图所示，图形中各轴反向跃冲的特征被绕图形中心旋转了一个角度。
诊断值
该类图形表征测试误差，因而无诊断值可给。
可能起因
图形旋转类型的图形是球杆仪软件与在进行数据采集的机床运动不同步所造成的，它可能由于如下几种原因：
∙机器零件程序不正确可能导致在球杆仪软件未准备好采集数据之前而先开始启动采集数据。
这也可能由于用户在球杆仪软件未准备好之前而启动了零件程序。
∙中心座定心很差，导致球杆仪意外地超出其工作范围，这将导致球杆仪软件误认为已到达采集结束时切出运动的位置而停止采集数据。
进一步细节请参见数据采集弧。
∙在某些场合，图形中看似“图形旋转”类型的图，实际是由于主从伺服换向差机器振动引起。
带来的影响
产生的图形质量差，方向未知，因此难以进行诊断。
由诊断软件诊断出的机器误差可能不准确或不正确。
推荐对策
检查测试所用零件程序，检查输入了正确的指令，确认机器上应替代的值均正确。
现在重新采集数据，确保按下述正确步骤而不要过快启动零件程序：
运行程序到进给切入运动之前，停止；启动计算机采集数据，然后继续连续运行零件程序。
保证机器进给率与计算机软件设定进给率相同。
如果怀疑中心座定心不好，则必须重新定心。
详细信息参见球杆仪快速浏览。
当各种可能引起测试误差的起因均被消除后，重新采集数据并再进行诊断分析。
要得到有效的诊断图可参见测试提示和窍门中提供测试步骤的提示。
PlotRotation图形旋转-Iss1.0
位置公差
简介
位置公差值是在球杆仪测试区域附近在无负载条件下对机器某一平面双向几何精度好坏的一个估计。
该值可与工程图上给定的位置公差直接相联系，因此，它可用于估计该机器是否能生产出满足图纸上标注的公差要求的零件。
位置公差是将下述诊断的误差值的影响综合起来进行数学计算的结果：
∙两轴反向间隙
∙两轴横向间隙
∙两轴周期误差
∙两轴直线度误差
∙两轴比例误差
∙两轴间垂直度
注意仅当球杆仪经过标定后位置公差结果才会显示出来。
定义
球杆仪位置公差结果与工程图上位置公差的定义方式相同。
例如，假设图纸上一个园心相对其它圆心或基准定义了100微米的位置公差，它表示该圆心的实际位置（相对于基准）将落入直径为100um的以名义位置为中心的公差园。
球杆仪位置公差结果以相同方式来定义。
有所限制的是所反映的圆心和基准必须在球杆仪测试园的区域内。
应用结果
显然将球杆仪计算的位置公差与图纸上零件公差相比较是非常有用的。
然而，要运用有关结果，必须注意以下几点：
∙球杆仪测试是在无负载条件下进行的（未发生切削），因此位置公差结果不包括任何由刀具或机器由于工件或加工过程带来的机械或热负载所带来的误差。
以低进给率进行轻微的精细加工会最大限度地降低这些误差。
∙位置公差结果不包括由于伺服增益不匹配或该轴的反向跃冲引起的误差，因此，不可用于在高速下估计机器进行综合插补轮廓精度的能力。
再次说明，以低进给率进行轻微的精细加工会最大限度地降低这些误差。
∙位置公差结果包括两轴的反向间隙误差，如果总采用单向接近方式加工严格的工件尺寸，将不会出现反向间隙误差。
∙由于位置公差结果包括比例误差，正确校准球杆仪是一项基础，同时施加适当的热补偿。
对温度和零件（而不是机器）膨胀系数进行补偿将会受益。
详细内容参见手册中热补偿部分。
∙位置公差结果仅适用于在机器某一平面、在球杆仪测试园内。
因此，建议将测试园半径选定在刚好包容典型零件并与其中心同部位处进行测试。
同时，在下结论前，特别是如果零件含有严格的三维公差要求，建议应根据零件尺寸在平行的或垂直的多个平面进行测试。
∙位置公差结果描述了球杆仪测试区域内任何位置与基准间的精度，因而包括了大到测试直径的距离间的尺寸。
一般来说，加工的尺寸越接近，其得到的位置公差比名义给出的要好。
∙位置公差结果未包括任何由卡具和刀具带来的误差，（例如，刀具磨损，不正确的刀具偏置值或卡具偏置值）。
位置公差结果仅适用于在同一零件安装下加工的尺寸，它不适用于不同的安装条件下或在其它机器上加工的尺寸，因为它们主要取决与卡具和安装的精度。
∙如果在同一轴上出现低频周期误差并伴随有比例不匹配误差，软件可能会稍微过高估计位置公差。
PositionalTolerance位置公差-Iss1.5
半径变化（测试错误）
图形
图形在顺时针和逆时针测试中曲线出现半径很大差异，如下图所示：
诊断值
该类型的图形是测试误差的特征，因此未给出诊断数值。
然而，如果诊断软件发现该类图形，它将给出一条出错信息，警告可能出现半径变化误差。
可能起因
在顺时针和逆时针数据采集间球杆仪或被测机器的温度发生改变，这一温度变化已导致球杆仪长度发生改变，因而两次曲线的半径有所不同。
顺时针和逆时针数据采集相隔时间太长，球杆仪或被测机床温度将在该段时间内肯定发生改变，导致前面已描述过的同样问题。
在顺时针和逆时针数据采集间球杆仪可能松动，导致其前后长度发生改变。
在某些场合，看起来是“半径变化”图但实际上是在两轴测试中由横向间隙（松动）引起。
带来的影响
诊断软件中半径变化图形可能被诊断为大的横向间隙（松动） 误差，这是一项错误的诊断。
由诊断软件中根据半径变化图形进行的机器误差诊断很可能不准或不正确。
推荐对策
如果怀疑在顺时针和逆时针数据采集间球杆仪或被测机器的温度发生改变，那么,检查所有可能通过改变球杆仪温度或机器温度来影响测试的任何热源或气流源。
当去除所有可能引起温度波动的根源并让球杆仪及机器定温后，再进行数据采集。
I如果原因是顺时针和逆时针测试间相距时间过长，那么重新采集两个方向的数据，并保证两次采集间隔停顿时间不过长。
你应顺序采集顺时针和逆时针数据，除非绝对需要，则在两次测试间决不要长时间暂停。
如果怀疑球杆仪的任何部件有松动，则检查并紧固所有球杆仪连接部位。
当各种可能引起测试误差的起因均被消除后，重新采集数据并再进行诊断分析。
要得到有效的诊断图可参见测试提示和窍门中提供测试步骤的提示。
RadiusChange半径变化-Iss1.1
反向跃冲（机器误差）
图形
图中在某轴上有一小尖峰，尖峰大小随机器进给率不同而变化。
如下图中所示在X和Y轴上均有反向跃冲：
诊断值
X轴及Y轴的反向跃冲按下述格式进行量化:
反向跃冲（μm）
X
+11.6
+11.6
Y
+10.3
+10.3
如图所示，在Y轴正、负双向均有10.3微米的反向跃冲，在X轴正、负双向均有11.6微米的反向跃冲。
可能起因
当某一机器轴向某一方向驱动，然后必须向相反方向反向移动，在换向处机器不是平稳反向运动而可能短时的粘性停顿。
图中所示为在Y轴有暂停。
导致该问题的可能原因如下：
∙该轴驱动电机施加的扭矩不够，造成在换向处由于摩擦力的方向发生改变而出现粘性停顿。
∙机器在进行反向间隙补偿时伺服响应时间不准确，这意味着机器不能准时地对反向间隙施加补偿，导致轴出现停顿，而由反向间隙带来的停滞被取而代之。
∙伺服响应在伺服换向点很差，导致在轴停止一个方向运动开始另一方向运动之间出现短的时延。
带来的影响
反向跃冲的影响将使园弧插补刀具轨迹出现一个小平台后再向原轨迹复位的台阶。
上图表明Y轴是如何从接近理想圆到因为轴的停顿而引起偏离，在诊断软件中图形的比例调整将机器实际切削所得到的平台转换为尖峰，因为机器表现出走到理想园之外。
如果e为球杆仪图形上尖峰的高度，那么在所切削零件上的平台长度可以通过将e乘以被切零件的直径，再取其积的平方根而得到。
例如，在进行300 mm直径的零件切削时，10微米尖峰将产生1.7 mm的平台。
推荐对策
如果机器的控制系统具有去除尖峰的能力，则在使用机器时利用该功能来限制反向跃冲的影响。
采用各种不同机器进给率进行一系列测试，试图找出在该机器上反向跃冲对加工影响最小的进给率。
在进行园弧插补进行精加工时就采用该找出的进给率。
ReversalSpikes反向跃冲-Iss1.1
比例误差（不匹配）（机器误差）
图形
图形具有椭圆或花生形，沿0度或90度轴方向拉伸变形。
拉伸变形不受数据采集方向的影响，即分别在进行顺时针或逆时针测试时拉伸变形轴向不会发生改变，由拉伸变形造成的拉伸变形量大小通常不受机器进给率影响。
比例误差是指在测试中被测量轴间的行程差，例如，机器在XY平面内运行一园周，X轴和Y轴运行的距离应完全相同。
如果有不同，两轴间运动位置差就是比例不匹配误差。
在下图中显示的是a和b间的差异。
诊断值
在数据采集中是否使用经校准的球杆仪决定了能否为比例误差给出诊断值，如果已经使用了经校准的球杆仪，那么，可给出X轴及Y轴上比例误差的大小，它反映的是这些轴实际运行的距离。
如果使用了未经校准的球杆仪，则比例误差仅能以比例不匹配的形式，给出X轴与Y轴间移动距离的差异。
在这些情形下无法给出比例误差，而仅给出比例不匹配。
比例误差（如果可适用）按下述方式进行了量化：
比例误差X 49.5ppm
比例误差Y 39.7ppm
比例误差通常用ppm（partspermillion百万分之一）为单位，点击单位按钮也可选取其它单位。
比例误差为正值表明在该轴方向移动过长，而比例误差为负值表明在该轴方向移动不到位。
可以将球杆仪测试园直径与ppm误差相乘来计算移动不到位或移动过长量。
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