数控机床位置精度的检测与校准

杨梦妍

摘 要：数控机床位置精度，就是指一台机床的刀尖所能够达到控制系统程序设定的目标位置的能力，是数控机床使用单位最为关注的技术指标及所能够满足加工精度的需求;也是评价数控机床的质量和状态的重要技术指标之一。目前多采用双频激光干涉仪对数控机床定位精度进行检测和处理分析。本文通过对激光干涉仪的原理、安装、使用及检测后的精度补偿，最终使数控机床定位精度得到提高，并探讨数控机床位置精度的检测与校准的现实意义。

关键词：激光干涉仪;机床位置精度;检测;补偿

1 概述

1.1 数控机床位置精度概述

数控机床的位置精度有其特殊的意义。机床的位置精度通常是指数控轴的定位精度、重复定位精度以及反向间隙。定位精度是衡量数控机床性能的重要指标，它是表明所测量的机床各运动部件在数控系统控制下所能达到的精度。因此，根据实测的精度的数值，可以判断出这台机床在日后的加工中所能达到的最好的工件加工精度。

1.2 数控机床位置精度的使用标准

目前，国际通行的数控机床位置精度检测标准有：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，我国也同样颁布有国家标准GB 10931-89机床检验通则，无论何种标准，都对数控机床的定位精度、重复定位精度以及反向间隙这三项给出了严格的标准数值。在本文中所采用的数据均是由国际标准ISO 230-2、中国标准GB 10931-89所得出。

2 激光干涉仪的工作原理

激光器是光放大器装置，它产生方向性很强的高强度相干光，该光束具有很单一的频率或波长。激光光束很窄又无发散，经过很长的距离仍能保持同样的强度，便于在各种场合进行激光位移测量。所以，激光适于高精度测量。

激光线性测量常用的测量技术是干涉测量法。干涉测量的一个重要特点是只能测量从初始点开始的位移，而不能测量绝对位置。激光测量系统的精度取决于激光光束的波长精度。测量线性距离的技术是相位比较， 通过比较被测距离的信号和参考信号之间的相位差，计算相位变化。通过相、位比较技术，测量精度很容易就达到测量距离的百万分之几。

图1为6-D传感器直线度测量的示意图。激光信号通过分光镜，被引到横向运动传感器。如果沿X 轴的移动是直线性的，光束将保持在检测器的中心不动。Y轴或Z轴方向上的任何对直线性的偏离，都将导致光束偏离检测器中心位置，由此而引起传感器输出信号的变化。测量电路将这些信号变化转变成位移读数，且进行数据储存以备进一步的分析。

3 应用激光干涉仪进行机床定位精度测量与数据分析

应用激光干涉仪进行测试，一般会得出几种曲线图像，各种曲线都能明确直观的体现测试轴的机械问题及系统问题，以下分别对各种曲线图形进行说明。

（1） 平行型：此类曲线表明该测试轴的机械部分导轨副及丝杠副在全行程上基本平行，轴的机械性能良好。但曲线没有重合说明该轴反向间隙过大，需通过数控系统反向间隙补偿功能进行补偿，使得正反向曲线趋于重合。

（2） 喇叭型：此类曲线表明该测试轴的机械部分导轨副或丝杠副一头紧一头松。出现这种情况必须进行机械调整，如果贸然使用补偿功能，则会加剧该轴问题，最终形成交叉性曲线。

（3） 鼓型：此类曲线表明该测试轴的机械部分滚珠丝杠副太长，刚性不足造成。这种情况一般可通过适当的预紧丝杠来得到改善。

（4） 不規则型：此类曲线表明该测试轴的驱动系统刚性太差，机械部分滚珠丝杠制造精度低所致。出现此类问题，必须对传动系统进行改进， 以提高该轴的刚性和精度。

（5） 交叉型：此类曲线表明该测试轴的重复定位精度极差，机械部分的丝杠副产生扭转，多产生于垂直轴，出现这种情况必须进行机械调整， 检查垂直轴的平衡问题及调节导轨夹条等。如果贸然进行精度补偿，则会产生燕尾状图形，使得该测试轴的位置精度更差。

4 主流数控系统定位精度的补偿简述

4.1 补偿时需要注意的几点问题

参考点的位置;补偿分辨率;补偿数值与机床位置要相互对应;补偿数值是否有范围控制;是否有原补偿值。

4.2 SIEMENS数控系统定位精度补偿

补偿前要注意系统参数：MD38000：最大补偿点数，该参数初始值为零，根据实际需要重新设定，需要注意当修改MD38000时会引起NCK内存重新分配，因此应先备份好数据，尤其是驱动数据;MD32700：螺距误差使能，当该参数为零时才能进行补偿;

4.3 FANUC0M数控系统定位精度补偿

在FANUC 0M系统中，螺距误差的补偿是在固定间距的补偿点上补入的，每一个进给轴上最多允许设置128个等距离的补偿点，而每一个补偿点上的最大补偿量为± 7个检测单位补偿倍率。FANUC 0M系统规定各轴的第1号补偿点应在它的最负端，即补偿点的编号从最负端开始，逐一向正向编号。在实测情况中，需根据现场数控机床的需要进行点位补偿，在此不做过多赘述。

4.4 海德汉数控系统定位精度补偿

补偿时需要使用的参数有：反向间隙补偿 MP710.x（x为轴代号，0 代表X轴，1代表Y轴，2代表Z轴，等等）;螺距误差补偿类型MP730（格式：% xxx，Bit为代表轴，数值0 为线性补偿，1为非线性补偿）;线性螺距误差补偿MP720.x;非线性螺距误差补偿CONFIG.CMA文件中配置，*.COM文件中修改。

5 结论

随着机械电子技术的飞速发展，数控机床作为一种高精度、高效率的自动化加工装备，已经成为机械行业必不可缺的现代化加工装置。在现今的机械制造业中高加工效率、降低加工成本、提高加工质量是行业发展的基础，而数控机床位置精度的高低是影响其加工工件精度的一个重要因素。想要提高工件加工精度，尤为重要的是提高数控机床的位置精度。目前利用激光干涉仪进行数控机床的测量和检测工作，这种加入激光干涉技术的位置精度检测装置是集光学、精密机械、电控技术、数据处理、计算机技术于一体的高新技术精密检测装置，可通过补偿，大大的提高数控机床的精度;也可通过检测结果，帮助分析机床产生精度误差的原因。

参考文献：

[1]关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪[M].中国计量出版社，1987

[2]殷纯永.现代干涉测量技术[M].天津大学出版社，1999.

[3] 戴高良.激光纳米干涉测量技术的研究[D].工学博士学位论文，1998.