FANUC 0iD系統數控機床螺距誤差補償方法研究

雷楠南

(三門峽職業技術學院 機電工程學院,河南 三門峽 472000 )

0 引言

數控機床加工精度由刀具與工件之間的相對位置決定，在影響加工精度的眾多因素中機床的動態誤差是主要因素[1]。數控機床工作臺的移動是利用電機帶動滾珠絲杠旋轉，將電機的旋轉運動轉換為工作臺的直線運動，理論上，滾珠絲杠轉過的角度與工作臺的直線位移之間為線性對應關系，但實際上因為滾珠絲杠的制造和裝配誤差，當數控系統控制工作臺移動時，工作臺的直線位移必然存在一定的誤差。因為滾珠絲杠為精度較高的機械傳動部件，所以數控機床經過整機機械部件裝配調試后所產生的誤差值已經很小。若想進一步提高數控機床定位精度，只能利用數控系統軟件提供的螺距誤差補償功能。由此可見，螺距誤差補償只是在機械裝配精度足夠高的情況下對微小量的螺距誤差進行修正。此外，通過螺距誤差補償，還可以消除因機床使用過程中的磨損等原因造成的精度下降，從而延長機床的使用壽命[2]。

1 螺距誤差補償的作用與方法

利用數控系統軟件進行螺距誤差補償的基本原理是:通過調整數控系統的參數來增減指令值的脈沖數，使機床工作臺實際位移有一定量的增、減，減小機床實際位移與編程指令指定的位置之間的差值，以提高機床的定位精度[3]。螺距誤差補償只針對機床工作臺運動行程的一段距離進行補償，所以只對機床補償段起作用[4]。螺距誤差補償的方法是在機床工作臺運動的行程范圍內，在無補償的條件下將工作臺的行程等分為若干段，測量出各目標位置Pi的平均位置偏差，將位置偏差疊加到數控系統的插補指令上。各目標位置的誤差值為編程指令要求坐標軸運動到的目標位置Pi與測量到的工作臺到達的實際位置之差。螺距誤差補償數據寫入數控系統后，當數控機床工作臺運動時，數控系統將會自動地讀取相應補償點的補償數據，對編程指令位置進行相應地修正，從而提高機床定位精度[5]。

FANUC數控系統進行螺距誤差補償時，需先設置數控系統的相關參數：3620、3621、3622、3623、3624等[6]。其中，3620為各軸參考點的螺距誤差補償點號碼；3621為各軸負方向最遠端的螺距誤差補償點號碼；3622為各軸正方向最遠端的螺距誤差補償點號碼；3623為各軸螺距誤差補償倍率，FANUC系統的螺距補償畫面設置值為-7～+7之間數值，所以在設置畫面上輸入補償值時應以實際補償值除以補償倍率進行輸入；3624為各軸螺距誤差補償點的間距。補償值計算出來后，先設置上述參數，然后將補償值輸入數控系統即可完成螺距誤差補償。從數控機床進給傳動裝置的結構及其控制方式可知，螺距誤差補償可有效提高開環和半閉環控制系統數控機床的運動精度。

2 螺距誤差測量數據

對數控機床絲杠螺距誤差測量時，常用的方法有步距規測量法、激光干涉儀測量法等[7]。在機床工作臺整個移動行程范圍內，測量點選取的越多，螺距誤差補償后的定位精度越高。本文以 FANUC系統VMC850數控加工中心X坐標軸螺距誤差補償為例，利用激光干涉儀測量了X軸的定位誤差。機床工作臺X軸行程為720 mm，測量的步距(兩個測量點的距離)選定為40 mm，全行程的測點總共18個。編制程序對X軸720 mm行程中各目標點進行多次測量，得到了各目標點誤差數據。其中機床工作臺一次往復運動的誤差數據如表1、表2所示，繪制出的位置誤差曲線如圖1所示。由于激光干涉儀測得的誤差數據在處理時是用工作臺實際位置值減去目標位置值，得到的誤差值為負值，因此誤差曲線圖呈現負向誤差。

3 誤差補償數據處理及FANUC 0iD系統螺距誤差補償

FANUC 0iD數控系統螺距誤差補償方式為增量補償，所以在進行螺距誤差補償時不能直接將目標點的誤差值輸入系統。觀察圖1的位置誤差曲線，在整個機床工作臺運動行程上，誤差是逐漸積累增大至0.045 mm。在測量得到各目標點的誤差值并進行系統補償時，各目標點的補償值為該點的誤差值與前一點誤差值之差。對比表1與表2中各目標點的位置誤差值，因誤差值相近，所以本文選擇表1中的誤差數據進行處理后得到各目標點的誤差補償值，如表3所示。

誤差補償數據表處理完成后，即可進行補償值的寫入。通常先設置各坐標軸負向最遠端補償點號3621，因為X軸為第一坐標軸，習慣性設置為0。然后設置正方向最遠端的補償點號3622，設置值為各坐標軸的運動行程長度除以補償間隔距離再加1，此處設置為19。3620號參數設置值只要介于3621與3622之間即可，因為表3中各目標點的補償值都小于7，所以設置3623號參數為1。因測量步距為40 mm，故3624號參數設置為40 000 μm。系統參數設置完成后，將表3中的誤差補償值輸入數控系統，對機床工作臺的運動再次進行位置測量，得到的位置誤差數據如表4所示。

圖1 位置誤差曲線

位置P1P2P3P4P5P6P7P8P9目標值-40.000 0-80.000 0-120.000 0-160.000 0-200.000 0-240.000 0-280.000 0-320.000 0-360.000 0測量值-39.996 9-80.003 9-120.001 7-160.007 4-200.013 3-240.017 1-280.014 9-320.019 8-360.020 7誤差值-0.003 10.003 90.001 70.007 40.013 30.017 10.014 90.019 80.020 7位置P10P11P12P13P14P15P16P17P18目標值-400.000 0-440.000 0-480.000 0-520.000 0-560.000 0-600.000 0-640.000 0-680.000 0-720.000 0測量值-400.019 4-440.021 4-480.027 1-520.025 2-560.029 9-600.035 7-640.041 3-680.040 9-720.046 5誤差值0.019 40.021 40.027 10.025 20.029 90.035 70.041 30.040 90.046 5

表2 正向移動誤差數據 mm

表3 各目標點的誤差補償值

表4 系統補償后測得的負向移動誤差數據 mm

對比表4與表1中相應目標位置的誤差數據發現，經過系統螺距誤差補償后，在機床工作臺整個720 mm運動行程內，最大的位置誤差值為0.0126 mm，且各個目標點的位置誤差值分散于0.001 7至0.012 6之間，沒有誤差積累的情況。相比較于補償前誤差逐漸積累增大至0.045 mm的情況，經過螺距誤差補償后機床運動的定位精度顯著提高。

4 結束語

本文對FANUC 0iD系統數控機床的螺距誤差補償原理進行了研究，利用激光干涉儀測量了一組定位誤差數據并繪制出了誤差曲線圖。通過對誤差數據的處理得到了一組補償值并進行了系統補償，再次對機床運動進行了實際測量，測量結果證明機床的運動精度得到了有效提高。