如何通过数控系统参数补偿来改善机床精度？

周升霞66

在数控机床加工零件的过程中，引起加工误差的原因有很多方面。如机床零部件由于强度、刚度不够引起而产生的变形，从而造成的误差；还有因传动件的惯性、电气线路的时间滞后等原因带来的加工偏差等。有些误差通过调整机床可以消除，但有些无法消除，这就需要我们通过数控系统参数补偿来消除。

本文以FANUC公司的数控系统为例来说明数控机床进给运动误差参数补偿方法。



1. 常见进给运动误差

运动误差是指由于数控机床结构间的相对运动和结构本身的原因而使刀具与工件间产生的相对位置误差，数控机床上常见进给运动误差的原因有：

1）机床的热变形，机床构件的扭曲与变形，传动轴或丝杠在扭矩作用下的扭曲变形引起的无效运动，都会造成零件的加工偏差；

2）螺距误差，开环和闭环数控机床的定位精度主要取决于滚珠丝杠的精度。但丝杠总会存在一定的螺距误差，因此在加工过程中会造成零件的加工误差；

3）齿隙或间隙，在齿轮传动系统中，齿轮间隙是引起传动误差的一个主要原因。在丝杠螺母副传动时，其间的齿隙以及溜板的歪斜也会产生传动误差。这类误差统称为齿隙误差；

4）机床溜板的磨擦、磨损造成的误差。

2. 进给运动误差的消除方法

进给运动误差可分成两类：一类是有常值系统性误差，如螺距积累误差、反向间隙误差等；一类是变值系统性误差，如热变形等。

消除误差的方法很多，可通过机械设计提高部件的刚度、强度，以减少变形；也可通过控制系统消除误差。过去用硬件电子线路和挡块补偿开关实现补偿，现在CNC系统中多用软件进行误差补偿。

（1）反向间隙误差补偿

在进给传动链中，齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等均存在反向间隙，这种反向间隙会造成工作台在反向运动时，电动机空转而工作台不动。这就使得半闭环系统产生误差，全闭环系统位置环震荡不稳定。

为补偿反向间隙可先采用调整和预紧的方法来减少间隙。数控机床的机械结构采用了滚珠丝杠螺母副、贴塑涂塑导轨等传动效率高的结构，滚珠丝杠螺母副又有双螺母预紧结构，所以机械结构间隙不大，但由于传动部件弹性变形等引起的误差，所以靠机械调整很难补偿。对剩余误差，在半闭环系统中可将其测出，作为参数输入数控系统，此后每当坐标轴接受反向指令时，数控系统便调用间隙补偿程序，自动将间隙补偿值加到由插补程序计算出的位置增量指令中，以补偿间隙引起的失动，即控制电机多走一点距离，这段距离等于间隙值，从而补偿间隙误差。

对于全闭环数控系统不能采取以上补偿方法（通常将反向间隙补偿参数调为零），只能从机械上减少甚至消除间隙。有些数控系统具有全闭环反转间隙附加脉冲补偿功能，以减少这种误差对全闭环系统稳定性的影响。即当工作台反向运动时，对伺服系统施加一定宽度和高度的脉冲电压（由参数设定）以补偿间隙误差。

（2）螺距误差补偿

螺距误差是指由螺距积累误差引起的常值系统性定位误差。在半闭环系统中，定位误差很大程度上受滚珠丝杠精度的影响。尽管滚珠丝杠的精度很高，但总存在着制造误差。要得到超过滚珠丝杠精度的运动精度，必须借助螺距误差补偿功能，利用数控系统对误差进行补偿与修正。另外，数控机床经过长时间使用后，由于磨损，其精度可能下降，利用螺距误差补偿功能进行定期测量与补偿，可在保持精度的前提下延长机床的使用寿命。

螺距误差补偿的基本原理是将数控机床某轴的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较，计算出在数控加工全过程上的误差分布曲线，再将误差以表格的形式输入数控系统中。这样数控系统在控制该轴运动时，会自动考虑到误差值并加以补偿。

采用螺距误差补偿功能应注意：

1）对重复定位精度较差的轴，因无法准确确定其误差曲线，故螺距误差补偿功能无法实现，也就是说，该功能无法补偿定位误差；

2）只有建立机床坐标系后，螺距误差补偿才有意义；

3）由于机床坐标系是通过返回参考点而建立的，因此在误差表中参考点的误差要为0；

4）必须采取比滚珠丝杠精度至少高一个数量级的检测装置来测量误差分布曲线，常用于激光干涉仪来侧量。

3. 误差补偿参数的设置

下面就以FANUC系统为例，说明误差补偿参数的设置方法。
FANUC系统反向间隙补偿参数：



数据形式：字轴型；
数据单位：检测单位；
数据范围：-9 999~9999。

设定各轴的反向间隙补偿量。接通电源后，当机床向参考点相反的方向移动时，进行第一次反向间隙补偿。

FANUC系统螺距误差补偿参数：

1）在参数3620中输入每个轴参考点的螺距误差补偿的位置号；
2）在参数3621中输入每个轴螺距误差补偿的最小位置号；
3）在参数3622中输入每个轴螺距误差补偿的最大位置号；　
4）在参数3623中输入每个轴螺距误差补偿放大率；
5）在参数3624中输入每个轴螺距误差补偿的位置间隔；

实例： 已知配置日本FANUC数控系统的铣床，行程为-400～+800 mm。确定螺距误差补偿位置间隔为50 mm；参考点的补偿位置为40 mm。计算如下：

负方向最远的补偿号位置为：参考点的补偿位置号-负方向的机床行程/补偿位置间隔+1=40-400/50+1=33；正方向最远的补偿号位置为：参考点的补偿位置号+正方向的机床行程/补偿位置间隔=40+800/50=56。

机床坐标和补偿位置之间的关系如图1所示：


图1   机床坐标和补偿位置之间的关系

在坐标上各部分相对应的补偿位置号处测量补偿值。补偿量如表1所示，将补偿量画在相应的补偿位置处，如图2所示。

表1   补偿位置号与补偿量关系表



图2  螺距误差补偿位置及对应的补偿值

螺距误差补偿参数设定如表2。
表2  螺距误差补偿参数号


运动误差是数控机床最常见的一种误差形式，我们不但可以调整机床硬件结构消除该误差，还可以通过设置机床参数来补偿。只要仔细分析误差产生的原因，就能找出相应的解决方法，从而提高数控机床的使用效率和使用寿命。