一種利用激光跟蹤儀進行螺距補償的方法

鄒純標

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412000）

1 螺距補償的原因

由于數控機床的絲杠在制造、安裝和調整上存在誤差以及長期使用造成的磨損，導致螺距實際移動值與預期設定值之間存在差異，造成機械實際進給值與預期信號值的不一致，最終造成機床精度變差、零件加工精度不穩定。因此，一般在機床出廠時機床制造廠家需要對機床各軸進行螺距補償。當機床使用一定年限，傳動部件磨損時，也需要對機床進行螺距補償。

2 激光跟蹤儀進行螺距補償應用的背景

中車株洲電力機車有限公司有1 臺2003 年從奧地利進口的大型五軸數控龍門銑，機床采用840D 數控系統，在當時為非常高端先進的機床。機床X 方向全長50 m（分2 個工位，每個工位25 m，分別獨立操作），Y 方向行程5 m，Z 向行程2 m，X軸為龍門軸，采用雙邊單伺服電機驅動，齒輪齒條傳動，Y 軸為直線軸，單伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動，Z 軸也是龍門軸，采用雙邊單伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動。由于機床X 軸行程很長，且X 軸單邊無雙電機或雙齒輪消隙，機床X 軸精度較低。

設備使用十多年后，機床Y 軸和Z 軸由于采用絲杠傳動，精度降低較小，但是X 軸由于齒輪齒條的磨合磨損，精度降低很快，需要維修X 軸傳動機構，更換X 軸齒輪、調整齒輪齒條的嚙合，并對X 軸重新進行螺距補償。

螺距補償一般用在絲杠傳動上，但下面介紹的是螺距補償在機床X 軸的齒輪齒條傳動上的應用，也是對螺距補償的一種深化應用。進行螺距補償時公司無長距離激光干涉儀（中車株洲電力機車有限公司內激光干涉儀最長測量距離為10 m），用短距離激光干涉儀一段段進行補償會出現很大的累積誤差，但有檢測產品用的激光跟蹤儀，最長檢測距離50 m，檢測精度可達0.1 μm。因此采用激光跟蹤儀對機床X 軸進行定位精度檢測并補償，最后用激光干涉儀分段檢查補償的精度。

3 利用激光跟蹤儀進行螺距補償

首先，對X1 軸零位到25 m 按500 mm 等分，利用激光跟蹤儀檢測每500 mm 機床的定位精度和重復定位精度。得到的定位精度為±0.2 mm/500 mm，重復定位精度為±0.05 mm。證明機床的重復定位精度沒有降低。通過來回多次測量，發現機床X1 軸正向運動與X1 軸反向運動經過同一點的位置基本重合，不需要修改軸的反向間隙參數，只需要進行單向螺距誤差補償EEC。但經過檢測，X1 軸在全程方向上有3 mm 的偏差，即機床X1 軸從零位走全程25 000.000 mm，實際測得數據為25 002.976 mm。如果直接進行螺距補償，將會出現補償數據有3 mm 的大數據，不利于機床的使用。經過重新計算X1 軸的絲杠螺距，修改X1/X2 軸MD31030 參數（注意修改此參數時需龍門軸2 個軸的參數一起修改，以免出現龍門不同步的情況）。最后，機床X1 軸從零位走全程25 000.000 mm，實際測得數據為25 000.005 mm。

螺距補償步驟如下。

對X1 軸按500 mm 等分，利用激光跟蹤儀檢測每500 mm機床的定位精度和重復定位精度得到的定位精度為±0.15 mm/500 mm，重復定位精度為±0.05 mm。精度檢測結果如表1 所示。

首先，查找機床是否有補償文件。本機床自帶補償文件，X1、X2 軸分別對應AX1_EEC.SPF 和AX7_EEC.SPF。如果沒有補償文件，需要將通信界面—程序/數據—NC 生效數據（文件夾）—測量系統誤差補償（文件夾）內找到相應的測量系統誤差補償軸，復制出補償文件，在用戶循環中新建零件程序格式的補償文件。

（1）檢查MD38000，讀取系統支持的最大補償點數。用戶進行補償設計分配的點數要小于等于該值。

（2）在系統中打開零件程序格式的補償文件，這里X1 軸為AX1_EEC.SPF。

（3）新建補償文件需對文件內的補償參數進行修改，包括：

$AA_ENC_COMP_STEP［e，AXi］：坐標軸AXi 螺距誤差補償間隔，這里是500，e 表示測量系統，e=0 表示第一測量系統，e=1 表示第二測量系統，這里e=0。i 表示軸號，這里i=1。

$AA_ENC_COMP_MIN［e，AXi］：坐標軸AXi 螺距誤差補償起始點，這里是0。

$AA_ENC_COMP_MAX［e，AXi］：坐標軸AXi 螺距誤差補償終點，這里是51.

$AA_ENC_COMP［e，N，AXi］:坐標軸AXi 在補償點N 處的補償值。

（4）根據測量結果，確定各個點的補償值，在系統上編輯補償文件。

（5）把機床數據MD32700 設置為0，補償文件作為零件程序執行一次。

（6）把機床數據MD32700 設置為1，螺距誤差補償使能生效，保護補償文件。

（7）系統復位“NCK Reset”，新的補償值生效。

重新檢測X1 軸定位精度，通過依次選擇診斷—服務顯示—軸調整，觀察絕對補償值來檢查X1 軸的補償文件是否生效。檢測后繼續對偏差較大的位置進行補償，如此反復3～4 次，X1 軸定位精度達到±0.04 mm/500 mm。最終測量結果如圖1 所示。

表1 機床定位精度和重復定位精度的檢測結果 mm

同時，X2 軸螺距補償前也先需檢查全程的定位精度是否準確（推薦X1、X2 同時檢查全程精度），如果有偏差，需先修改X2 軸MD31030 參數。最后，機床X2 軸從零位走全程25 000.000 mm，實際測得數據為25 000.008 mm。然后按前面螺距補償步驟，對X2 軸進行螺距補償。X2 軸定位精度達到±0.04 mm/500 mm。最終測量結果如圖2 所示。

圖1 X1 軸螺距補償后的最終測量結果

圖2 X2 軸螺距補償后的最終測量結果

最后對X1、X2 軸的精度用激光干涉儀重新分段檢測。檢測結果與激光跟蹤儀檢測結果基本吻合。