数控机床定位精度与激光干涉仪测试曲线gfnb.docx

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1、数控机床床定位精精度与激激光干涉涉仪测试试曲线摘要 用用激光干干涉仪对对数控机机床进行行定位精精度检测测时，不不同的机机床，检检测的精精度曲线线各不相相同，想想要提高高数控机机床定位位精度，就就需要对对不同的的测试结结果给予予全面而而科学的的分析。分分析雷尼尼绍产品品在使用用过程中中遇到的的几种机机床误差差曲线的的误差源源及解决决方案。关键词 激光干涉仪 数控机床 定位精度 误差分析 中图分类号 TH744.3 文献标识码B一、前言 用激光光干涉仪仪对数控控机床进进行定位位精度检检测，不不同的机机床检测测的精度度曲线各各不相同同，想要要提高数数控机床床定位精精度，就就需要对对不同的的测试结结果

2、给予予全面而而科学的的分析。就就雷尼绍绍产品在在使用过过程中遇遇到的几几种机床床误差曲曲线的误误差源及及解决方方案提出出分析。二、数控控机床定定位精度度常见误误差曲线线及分析析 1负负坡度 图1中中曲线向向外运行行和向内内运行，两两个测试试均出现现向下的的坡度。图图1显示示在整个个轴线长长度上，误误差呈线线性负增增加。这这表示激激光系统统测量的的距离短短于机床床位置反反馈系统统指示的的距离。此此处注意意，分析析以上数数据时使使用雷尼尼绍公司司“所有数数据图”图形类类型的符符号约定定。一些些三坐标标测量机机（例如如VDII26117 )使用相相反的符符号约定定，因此此图形坡坡度与之之相反。图1

3、(1)负坡度度可能原原因。在在激光干干涉仪设设置上，可可能光束束准直调调整不正正确，如如果轴线线短于llm，则则可能是是材料热热膨胀补补偿系数数不正确确，材料料温度测测量不正正确或波波长补偿偿不正确确。 (2)机机床可能能的误差差源。俯俯仰和扭扭摆造成成阿贝（AAbb）偏置置误差、机机床的线线性误差差。 (3)建建议。如如果轴线线行程很很短，清清检查激激光的准准直情况况检查EEC100和测量量头是否否已连接接并有反反应，或或者检查查输入的的手动环环境数据据是否正正确。检检查材料料传感器器是否正正确定位位以及输输入的膨膨胀系数数是否正正确。使使用角度度光学镜镜组，重重新做一一次测量量，检查查机床

4、的的俯仰和和扭摆误误差。 2正正坡度 图2显显示在整整个轴线线长度上上，误差差呈线性性正递增增。可能能是以下下几种问问题： (1)激光干干涉仪设设置可能能有问题题。如：材料热热膨胀补补偿系数数不正确确，材料料温度测测量不正正确，波波长补偿偿不正确确。 (2)机机床方面面的问题题。如：俯仰和和扭摆造造成阿贝贝（Abbb）偏置置误差、机机床的线线性误差差。 (3)建建议。检检查ECC10和和传感器器是否已已连接并并有反应应，或者者检查输输入的手手动环境境数据是是否正确确。检查查材料传传感器是是否正确确定位以以及输入入的膨胀胀系数是是否正确确。使用用角度光光学镜组组，重新新做一次次测量，检检查机床床

5、的俯仰仰和扭摆摆误差。图2 3周周期性曲曲线 图图3显示示整个轴轴线长度度上的重重复周期期误差。沿沿轴的俯俯仰保持持不变，但但幅度可可能变化化。周期期性曲线线可能原原因： (1)激光干干涉仪设设置上的的问题。该该曲线的的误差大大小，不不太可能能与仪器器操作有有关，主主要去分分析机床床本身的的误差源源。 (2)机机床方面面的问题题。丝杠杠或传动动系统故故障、编编码器问问题或故故障、长长型门式式机床轨轨道的轴轴线直线线度。 (3)建议。采采用小得得多的采采样点间间隔，在在一个俯俯仰周期期上再测测量一次次，确认认俯仰误误差。作作为一项项指导原原则，如如果你要要检查的的是机床床某元件件的周期期性影响响

6、，可将将采样间间隔设为为预期周周期性俯俯仰的11/8。比比较以下下各项，确确认可能能的误差差来源：机床丝丝杠的螺螺距、齿齿条的齿齿距、编编码器、分分解器或或球栅尺尺俯仰、长长型门式式轨道的的支撑点点之间的的距离。图3如果在图图上记录录一个完完整周期期（俯仰仰）长度度，将会会对引起起问题的的原因有有所了解解。例如如，如果果误差周周期是220mmm，查阅阅机床手手册，发发现丝杠杠的螺距距也是220mmm。显然然，误差差与丝杠杠旋转问问题有关关。丝杠杠可能在在最近的的一次维维修或机机床移动动时被弄弄弯了，或或者丝杠杠偏心旋旋转。 在大型型门式机机床上，可可能的原原因是齿齿条和齿齿轮传动动系统装装配差

7、或或齿轮不不均衡运运行。检检查齿轮轮的有效效周长和和齿条的的齿距，并并将它们们与图形形比较。 检查位置反馈系统。将周期性误差大小与感应式测量器(Inductosyn）计量器上的编码器节段或球栅尺（Spherosyn）计量器中的球尺寸比较。 如果周期性误差很小，应考虑编码器插补故障的可能性。以极小的采样间隔重新检查，以降低伪信号的可能性。4偏移移 图44显示去去程和回回程两次次测试之之间，具具有不变变的垂直直偏移。偏偏移曲线线可能原原因： (1)激光干干涉仪设设置上的的问题。该该曲线的的误差大大小，不不太可能能与仪器器操作有有关，主主要去分分析机床床本身的的误差源源。 (2)机机床方面面的问题题

8、。反向向间隙未未补偿或或不当补补偿，车车架与导导轨之间间存在间间隙（松松动）。 (3)建议。对丝杠或滚珠丝杠驱动装置：检查球状螺母或丝杠是否磨损。检查丝杠轴承端部浮动情况。使用角度光学镜组，检查轴线反转时的车架角度间隙。检查控制器内设置的反向间隙补偿是否正确。对机架和小齿驱动装置：检查齿牙是否正确啮合。检查齿轮箱是否磨损。 线性编码器系统方面：当测试采用配备旋转位置反馈编码器的机架和小齿轮或丝杠驱动装置的机床时，将产生这种图形。对于这类机床，当轴线改变方向时，尽管在吸收反向间隙时，待测轴线将瞬间暂停，滚珠丝杠或小齿轮驱动装置内的反向间隙仍使位置反馈系统记录有移动。图4 5燕燕尾状 图5显显示，

9、在在去程测测试中出出现向下下的坡度度，回程程测试为为去程测测试的镜镜像。去去程和回回程测试试之间的的偏差（或或滞后或或反向间间隙）随随轴线离离开受驱驱动端而而逐渐提提高。燕燕尾状图图形可能能原因： (11)激光光干涉仪仪设置上上的问题题。该曲曲线的误误差大小小，不太太可能与与仪器操操作有关关，主要要去分析析机床本本身的误误差源。 (2)机床方面的问题。滚珠丝杠扭转、导轨太紧、使用的误差补偿值不正确。此类图形表示滚珠丝杠发生扭转。当转动滚珠丝杠所需的扭矩太高，丝杠自身开始发生变形（扭曲）时，将出现滚珠丝杠扭转。扭曲量随着滚珠丝杠的螺帽离开受驱动端而逐渐提高。若导轨或球状螺母很紧或咬着，或滚珠丝杠

10、自身强度不够，可能发生滚珠丝杠扭转。垂直轴线的平衡块重量不足也会引起这个问题。 当机床逐渐离开起始点时，转动滚珠丝杠所需的扭矩使它发生扭曲。如果编码器安装在滚珠丝杠的受驱动端，它转动的角度将比在对端要稍大一点。图5 例如：在具有有紧导轨轨或尺寸寸过小的的滚珠丝丝杠的机机床上，转转动丝杠杠所需的的扭矩，足足以使丝丝杠扭曲曲0.55/m。因因此，如如果滚珠珠丝杠的的俯仰误误差值是是l0mmm，这这个扭曲曲相当于于lm具具有0.0144mm的的总线性性误差。在在去程测测试中，由由于这个个扭曲，机机床位置置编码器器的读数数每lmm将增加加0.0014mmm。再再看看回回程测试试，即运运行方向向相反的的

11、情况。当当滚珠丝丝杠改变变方向时时，开始始逐渐放放松直到到没有扭扭曲，然然后在往往相反的的方向移移动时，它它又开始始逐渐扭扭曲，直直到施加加足够的的扭矩使使机床轴轴线重新新移动为为止。在在这个放放松和重重新扭曲曲的过程程中，机机床保持持静止不不动，激激光记录录无移动动，但是是位置编编码器在在滚珠丝丝杠的回回程（受受驱动）端端部，将将观察到到丝杠发发生旋转转（扭曲曲）。这这个反向向效果给给出的特特性图显显示，回回程测试试为去程程测试的的镜像。 (3)建议。检查丝杠和导轨润滑。检查在垂直轴上的平衡作用。检查并调节导轨夹条。检查导轨盖是否咬着。检查控制器补偿。 6正正反向交交叉线 图6显显示正向向（

12、向外外）运行行产生负负坡度，而而反向（向向内）运运行则产产生正坡坡度。正正反向交交叉线可可能原因因： (1)在在激光干干涉仪设设置上可可能的问问题：该该曲线的的误差大大小不太太可能与与仪器操操作有关关，主要要去分析析机床本本身的误误差源。 (2)机床方面的问题，这是丝杠扭转的一个特殊例子，其中，单向线性误差补偿和单反向值已在控制器中设置。 (3)建议。检查丝杠和导轨润滑。检查在垂直轴上的平衡作用。检查并调节导轨夹条。检查导轨盖是否咬着。检查控制器补偿。 如果用户计划在轴线中间位置完成大部分工作，则当前补偿可认为是最佳的，因为它将最大误差分布在轴线端部，而最小的误差则在中间位置。删除误差补偿将产

13、生燕尾状图形。图6 7锯锯齿形 图7显显示在整整个测试试过程中中误差都都呈增加加的趋势势。它的的一个重重要特性性是，甚甚至在设设为基准准值或零零的轴线线位置土土时，误误差还在在增加。 (1)锯齿形可能原因。激光干涉仪设置上可能有间题、丝杠误差、光学镜组的热漂移。机床方面的问题：机械故障、编码器反馈不可靠。 (2)建议如果误差很小（几个微米），可以在光学镜组彼此靠近时，设为基准值并重做测试。确保光学镜组已有充分的时间适应环境温度。开始测试之前，让机床预热。 如果温度或其他环境条件在测试期间发生变化，则可能的原因是，激光设为基准值时，由于固定和移动光学镜组之间有间隙而引起的丝杠误差。确保在重新测试

14、之前，尽可能降低丝杠产生误差的可能性。 另一种可能是，由光学镜组适应环境引起的热漂移。在重新测试之前，确保光学镜已有足够的时间适应环境温度。（雷尼绍光学镜组引起这种误差的可能性较小，因为镜组的制作材料是铝，能够比钢更快地适应环境。） 若丝杠误差和热漂移都不是引起误差的原因，则有可能是机械漂移。可能机床轴线相对机床位置反馈系统发生移动，这可能是由编码器或线性计量仪安装不牢固引起。可能是电机的热量传到机床的机体中使机床的温度逐渐提高。若是这种情况，可以合理预测在一定次数的测试之后。误差（单向）增加的速度将逐渐降低，因为有这种可能性，即怀疑产生移动的组件因热膨胀而移动的距离会受到物理性限制。机械漂移

15、最有可能产生负误差，并且所产生的坡度会是一个方向比另一个方向扁平。 可能是编码器信号噪音造成控制器的脉冲计数增加，也可能编码器信号电平与控制器输入不兼容。图78花瓣瓣形 图图8显示示误差随随着时间间和距离离不断增增加花瓣瓣形可能能原因： (11)激光光干涉仪仪设置上上可能有有问题，材材料温度度传感器器定位不不正确或或者膨胀胀系数不不正确。 (2)机床方面的原因。滚珠丝杠在测试期问温度提高、机床温度改变。如果机床的滚珠丝杠在测试期间温度提高，将产生此类图形。每次测试的特性曲线图显示误差随时间而增加。为保证测试的精确度，建议在开始校准之前要让机床完全预热。 在以上例图中，安装滚珠丝杠的端部可能正好

16、与行程起始点重合，并且可在另一端产生轴向浮动。如果滚珠丝杠在对端受到限制，图形将显示负坡度。图8 9三三角形 图9显显示误差差呈线性性增加，误误差在行行程最远远端机床床反转时时出现跃跃升。然然后，在在回程测测试回到到与轴线线起始点点时，回回到同样样位置上上。三角角形可能能原因： (11)激光光干涉仪仪设置上上可能有有问题。该该曲线的的误差大大小，不不太可能能与仪器器操作有有关，主主要去分分析机床床本身的的误差源源。 (2)机机床方面面的原因因。在轴轴线外端端部因导导轨磨损损而出现现偏转。此此类误差差的典型型情形如如图100所示。图9 导轨磨磨损引起起偏转，如如图100的A点点所示。在在去程移移

17、动中，驱驱动系统统的扭矩矩使车架架紧靠左左侧的导导轨，车车架沿相相对较直直的路径径行走。但但是，当当驱动系系统改变变方向时时，扭矩矩反作用用力发生生改变，车车架将在在磨损的的导轨处处发生偏偏转。这这将产生生使激光光读数发发生突跃跃B。当当车架往往回向轴轴线起始始点方向移移动并走走出严重重磨损的的导轨段段时，误误差逐渐渐减少（如如C点）直直到零。 应当注意的是，反向反射镜的位置对显示的误差有显著影响。建议使用角度光学镜组，直接测量偏转角，以便对偏转问题的严重程度有充分了解。（注：本例中，由于激光读数读取不足，因此，图形是上图例的镜像。）图10 10台阶形形 图111显示示清楚的的台阶，或或上或下

18、下，沿轴轴线长度度按一定定的间隔隔出现。台台阶形可可能原因因： (1)激激光干涉涉仪设置置上可能能有问题题，该曲曲线的误误差大小小，不太太可能与与仪器操操作有关关，主要要去分析析机床本本身的误误差源。 (2)机床方面的原因。大机床上各齿条段对准不佳或装配不佳，线性编码器或感应式测量器(inductosyn)分段对准不佳或装配不佳。在装备齿条和齿轮传动机构的大型机床上，齿条由许多分别装配在机床上的单独分段组成。必须十分小心地确保每段都正确地与其他段对准，保证齿轮能够平滑地从一段转到下一段。如果齿条段未正确对准，传动齿轮在经过对准不佳的接合点时可能发生偏转。这种偏转会导致测量值出现突跃台阶，如图11所示。这种问题可以通过检查每个齿条段的长度和相对位置，并与图形数据比较，可很快查明。图11三、总结结 综上分分析可以以看出，机机床本身身精度不不佳会带带来上述述各种误误差，但但也不能能排除在在某种情情况下激激光干涉涉仪操作作不当（包包括使用用了精度度不够稳稳定或采采用自身身原理对对温度影影响比较较敏感的的激光干干涉仪系系统）也也是会带带来较大大误差。