用激光干涉儀恢復數控機床的定位精度

陳彥君 馬喜權 耿海洋

(中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山 063035)

隨著我國制造行業的飛速發展，對數控設備的定位精度要求越來越高，它直接影響工件的加工精度和質量，它也是評價設備精度性能的重要指標，也是設備驗收的重要內容。利用激光干涉儀自動測量各驅動軸的位置誤差，利用數控系統的螺距補償功能進行調整，可大大提高設備的定位精度，降低設備維修成本，提高設備的使用壽命。

筆者公司有1臺HOMMA公司生產的龍門加工中心，數控系統為FANUC 18i，已滿負荷運行9年，只在設備驗收時進行過定位精度檢測、補償。由于長期使用，部件磨損嚴重，為此采用雷尼紹公司生產的XL80型激光干涉儀，自動測量各驅動軸的定位精度，根據定位精度誤差，確定人工補償的方案，恢復機床定位精度、重復定位精度，此方法安全、可靠，更適合使用多年、定位誤差較大的設備。

1 測量前數控系統設置

以HOMMA公司龍門加工中心的驅動軸Y軸為例介紹測量、補償方法，Y軸行程為3 300 mm。

(1)更改 FANAC 18i系統設置:按下“OFS/SET”—“SETTING”—MDI方式。把畫面“參數寫入=“0”改為“1”。使系統具有可更改NC參數的權限。

(2)修改NC參數:按下“SYSTEM”—“參數”找到參數“1851(G1工進反向間隙)Y數值→ 0”，“1852(G0快速反向間隙)Y數值→0”，即把Y軸滾珠絲杠的反方向間隙設為零。檢查伺服參數“1800的#4號位數值=“0”表示切削進給與快速進給均使用“1851”的反向間隙設定值，#4號位數值=“1”表示機床快速進給使用“1852”的反向間隙設定值。一般機床采用全閉環控制系統，反向間隙很小，參數1851=0，對于采用半閉環控制的系統，可通過參數“1851”的數值，補償反向間隙誤差，如果測量數據與目標值誤差較大，而多次測量數據間差別不大，說明設備的重復定位精度很好，若絲杠的反向間隙較大，可先在參數1851中輸入反向間隙補償值，再進行逐點程序補償。這樣可有效提高補償的效果和補償精度。HOMMA公司機床Y軸采用光柵尺測量位置數據，重復定位精度較好，參數可設為:1851=0。

(3)螺距補償寄存器數據清零:為避免測量時機床原始補償值仍生效，按“SYSTEM”—“間距”—“節距誤差設定界面”把程序中寄存器中所有Y軸補償值都設為零。

2 調整光柵尺

設備Y軸采用全閉環控制系統。這類控制系統一般采用光柵尺檢測裝置，將檢測到機床運動部件的實際位移反饋到CNC裝置的比較器中，與指令位置相比較，用其差值進行控制。這類控制方式的位置控制精度很高。

此設備Y軸采用海德漢LB382光柵尺，光柵尺由光柵讀數頭(安裝在移動滑枕)和標尺光柵(安裝在橫梁)組成。標尺上有周期性刻線(光柵)作為測量位移的基準，標尺又分為玻璃光柵和鋼帶光柵兩種。一般驅動軸行程大于1 000 mm，采用鋼帶標尺。為滿足機床的定位精度要求，下列情況必須首先對鋼帶標尺總長度進行測量、調整，使機床驅動軸在最大行程時定位誤差小于±0.1 mm，才能對行程各點的定位誤差進行補償，使其滿足精度要求。(1)鋼帶標尺長期使用，受環境、溫度、使用狀態等影響其總長度會發生微小變化。(2)長期使用鋼帶標尺表面有灰塵、污物，影響位置信號的讀取，需抽出鋼帶，清洗、安裝、調整鋼帶總長度和精度。(3)光柵尺首次使用需調節鋼帶總長度。

然后編制Y軸移動程序，使Y軸從0～3 300 mm，此時用激光干涉儀測量Y軸的最大行程L，如果測量值大于L±0.1 mm。需調整標尺長度(圖1)。逆時針旋轉定尺緊固螺絲M3，使定尺處于可調整狀態。拆下標尺端蓋，旋轉標尺端面M8的螺絲，放松或拉緊標尺，可調整標尺總長度。重復以上測量、調整過程，直至激光測量最大行程誤差小于±0.1 mm，保證全行程精度。

3 編制測量程序

對于線性軸的檢測，一般有標準檢驗循環和等階梯循環檢驗兩種。標準檢驗循環方式:在所有目標位置按順序逐點檢測一個循環，再進行下一個循環，所有目標位置在正、反向循環3～5次。等階梯循環方式測量:在每個目標位置，在正、反方向檢測3～5次，再進入一個目標點檢測。短行程一般采用標準檢驗循環方式，長行程采用等階梯循環方式測量。某目標位置，要進行正方向6～10次數據采集，如果長行程采用線性定位方式測量行程時，每兩次數據采集時間間隔較長，測量數值容易受空氣折射率、環境的溫度、壓力和濕度影響很大，造成數值之間偏差很大，無法正確測量位置誤差。

實際應用中行程小于3 500 mm一般采用標準檢驗循環方式。HOMMA機床Y軸行程3 300 mm，按標準測量循環方式，測量間隔300 mm，每個目標點數據采集停留時間7 s，為消除反向間隙對測量精度的影響，在行程的起點“0“點和終點3 300 mm設計了3 mm的越程，停留時間2 s，此點的數據不采集。測量循環工作圖如圖2。

編制測量程序如下:

4 數據測量、補償方案制定

打開XL80測量軟件，軟件中數據的設置應與測量程序相對應。輸入起點“0”，終點“3300”，間距“300”自動生成目標數12個。定位方式:線性定位(標準循環)。最小停止周期:即目標點數據采集需停止的時間5 s，絲杠使用多年有磨損，采集數據停留時間設的長一些，此值應小于數控程序O00049中設置的目標點數據采集停留時間7 s。越程量:2 mm，比數控程序O00049中設置的越程量3 mm要小一點。

根據測量數據進行數據分析，確定誤差補償方案。

(1)自動補償:XL80帶有自動補嘗軟件，可對于常用的數控系統如西門子840D、802D，FANAC 18i、16i、0i等實施自動補償。根據測量數據，XL80可自動進行數據分析，產生補償值，把誤差值傳輸到數控系統，系統自動完成定位誤差的補償。這種補償方式方便、快捷，對技術人員的專業水平要求較低。

(2)手動補償:根據測量數據，技術人員通過數據分析、確定補償值，并人工輸入到系統中。這種補償方式安全、可靠。首先，有些數控系統不屬于常用系統、有些設備老化，軟件傳輸接口有問題，無法用XL80自動補嘗軟件對定位精度補償。其次，有些歐洲進口設備，采用西門子840D系統，但使用XL80自動補嘗軟件時，需更改NC參數:MD38000參數，此參數更改后會引起NCK內存重新分配，容易引起數據丟失。為保證數控系統的安全，廠家一般自己設計激光補償程序，這類設備只能采用手動補償方式完成定位誤差補償。

(3)為提高補償精度，HOMMA Y軸采用補償間隔小于測量間隔的手動補償的方案。我們在每個測量間隔，設置多個補償點。Y軸行程=3 300 mm，測量間隔300 mm，補償起點a=0，補償終點b=3 300，補償間隔c=30。由于FANAC 18i采用增量補償，參考點的補償值為零，那么需要補償的點數N=(b－a)/c=110個。

5 設定補償參數

應用數控系統的螺距補償功能，對定位誤差進行補償，需首先設置NC補償參數:

此參數值必須大于3620中的參數設定值

機床設置Y軸方向，從參考點至最大行程為正方向，那么無論測量方向與機床Y軸正向相同還是相反，參考點的補償值都放到補償寄存器的300序號中，行程3 300 mm處的補償值放入補償寄存器序號300+N(110)=410中。

當機床驅動軸的運動方向，從參考點至最大行程為負向時，如HOMMAX軸行程從0～8 400 mm為負向，補償點間隔設為80 mm，補償點數n=105個，那么無論測量方向與機床X軸正向相同還是相反，X軸參考點處即零點處的補償值放入補償寄存器序號200號中，機床X=－8 400 mm位置的補償值放入補償寄存器序號:200－n(105)=95號中。

6 設定補償值

根據測量數據進行數據分析。計算Y區間補償值(表1)。

表1 Y區間補償值

FANAC系統采用增量補償，激光測量每個目標點的數據(μm)均值An，區間補償值(μm)Bn，那么Bn=An－1－An，即零點補償值B0=0，0 ～300 區間補償值B1=－3，Bn數值可近似取整數。

將以上補償值數據均勻分配到對應的補償序號中。打開機床至“節距誤差調定界面”，找到寄存器序號(表2)。

表2 Y軸寄存器對應補償值表

序號0300對應參考點補償數=0，序號0301至0310的補償數據對應行程0至300 mm，此區間總補償值為表1中B1=－3，將－3值均勻分配到序號為0301至0310的寄存器中，序號0311至0320的補償數據對應行程300～600 mm，此區間總補償值為表1中B2=0.7，將0.7近似為1，此值均勻分配到序號0311至0320的寄存器中，序號0321至0330的補償數據對應行程600～900 mm，此區間總補償值為表1中B3=－11.50，此值均勻分配到序號0321至0330的寄存器中，依此類推可把Y軸目標點的補償值輸入到序號0300至0410寄存器中，機床斷電、重啟，定位誤差補償數據生效。

經以上反復測量、補償，使軸的定位精度、重復定位精度滿足使用要求。設備在進行定位精度檢測補償前，需完成設備各種功能的檢測、幾何精度(直線度、垂直度)的檢測，減小幾何精度對定位誤差的影響。測量室溫一般在在20±2℃，保持設備周圍無干擾震源、風源，減小環境對定位精度測量的影響。

用以上方法可有效減小老機床定位誤差，甚至恢復老機床的定位精度、延長機床的使用壽命。

［1］王素霞.FANUC CNC伺服調整培訓教程［F］.北京:高等教育出版社，2011.

［2］雷尼紹.RENISHAW APPLY INNOVATION［Z］.2008.