数控技术毕业设计（论文）数控机床位置精度的检测和补偿1

江西理工大学南昌校区2011届专科生毕业论文 毕 业 论 文题 目：数控机床位置精度的检测和补偿系 部：机电工程系专 业：数控技术班 级：数控（2）班学 生：学 号： 指导教师： 职称： 江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕 业 设 计（论文）任 务 书机电工程系系部 数控 专业 2008级（2011届）数控（2）班 学生题 目：数控机床位置精度的检测和补偿专题题目（若无专题则不填）：原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：工作基础： 随着我国数控装备技术的发展，数控机床作为一种高精度、高效率、稳定性强的自动化加工设备，已经成为机械行业必不可少的现代化装备。数控机床的位置精度是影响其高精度的一个重要方面，因此有必要对数控机床进行位置精度的检测和补偿，并了解其方法和应用。 研究条件： 利用网络资源，参考相关文献，并在老师的提示和指导下熟悉并掌握数控机床位置精度的检测和补偿的基本方法以及相关注意事项。应用环境： 数控机床位置精度的检测和补偿广泛用于数控车床、数控铣床、加工中心等用于精密零件加工的数控设备中。工作目的： 通过对数控机床位置精度的检测和补偿的深入研究，了解并熟悉提高机床定位精度的方法和意义，同时有助于进一步认识数控系统功能和数控机床的结构。主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：研究内容：本文着眼于我国数控机床的迅猛发展，主要从以下五个部分进行研究：1、 简述数控机床的发展概况以及在机械制造业中的重要地位。从国际环境和我国数控技术现状出发，分析比较国际数控机床和我国机床间的差异，并且阐述大力发展我国数控机床的必要性和重大意义。2、 了解并掌握数控机床的位置精度的概念以及其重要性，误差组成及误差检测项目和评定标准。必须了解到数控机床的位置精度是影响数控加工高精度的一个重要方面，对于进一步认识数控系统功能和数控机床的结构具有积极的现实意义。1.讨论数控机床存在的定位误差，了解它的基本特征分量主要分为：系统误差、随机误差、反向定位的失动量、最小可能移动量。除此四种特征分量之外，对有坐标原点之坐标行程的检测，还有一个测量原点复归精度的问题，也应进行测量并规定允差。2.了解数控机床位置精度的主要检测项目：直线运动位置精度（包括X,Y,Z,U,V,W轴）；直线运动重复定位精度；直线运动反向间隙（失动量）测定；直线运动的原点返回精度；回转运动定位精度（转台A,B,C轴）；回转运动重复定位精度；回转轴原点的返回精度；回转运动反向间隙（失动量）测定。3.掌握在数控机床检测中测量直线运动的检测工具：测微仪和成组块规，标准长度刻度尺和光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。标准长度测量以双频激光干涉仪为准。回转运动的检测工具有：360度齿精确分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅及平等光管等4.了解数控机床位置精度的检测标准。目前国际上比较通行的机床位置精度检测标准有NMTBA、JIS、VDI/DGQ、ISO等，我国也有颁布国家标准GB1093189机床检验通则。本文只讨论国际标准ISO230-2，中国标准GB1093189，日本标准JIS B 6336及德国标准VDI/DGQ 3441。三、了解并掌握数控机床位置精度的几种常见检测方法，这也是本篇论文的侧重研究方面。数控机床位置精度的检测方法有三种：1.成组块规法，目前国内已经较少采用此法，故而本文不做过多介绍。2.线纹尺显微镜法，同时讨论其测量原理和测量方法。3.双频激光干涉仪检测法，鉴于目前我国已经很少再使用测微仪和成组块规法进行数控机床位置精度的检测，故而本文着重研究的是双频激光干涉仪检测方法。了解其在直线运动定位精度检测中的工作原理，并且对比标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法和双频激光干涉仪检测法的误差组成和影响因素，最终确定在进行数控机床位置精度检测时是应以双频激光干涉仪检测法为准。四、概述数控机床位置精度的补偿方法。对数控机床位置精度进行检测之后，通过数据采集和分析，针对机床所产生的误差必须对数控机床进行一定的补偿技术，并将所提出的补偿技术应用于实际的系统设计。数控机床位置精度的补偿方法有：机械式补偿法，软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法等。本文中的补偿方法主要介绍的是软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法。对上述检测的数控机床，进行数据分析，然后采取软件式补偿法，并比较补偿前后的精度差别。在半闭环伺服控制的数控机床中,可以通过数控系统所具备的螺距误差补偿功能和反向间隙补偿功能对机床的定位精度加以补偿。在NUM数控系统中,如果能正确地运用该功能,便能很快完成这种补偿,使数控机床的位置精度大大提高。五、对未来数控加工精度技术以及数控机床等设备发展的展望，始终坚信对于数控机床位置精度的研究方法将会变得更加多样化，便捷化，高效率化。具体要求： 要充分了解数控机床位置精度的相关标准，认真研究定位精度检测及补偿方法的工作原理及使用。主要指标和技术参数： :查阅课题相关文献15篇以上（期刊5篇以上），并注明出处。 :通过网络、实地考察等手段了解发展现状与前景。:深入了解文献涉及的主要原理、技术方法等进行总结、归纳述评，阐明 当前有关的最先成果和动态。 日程安排：1：11月25日-12月20日，阅读有关文献资料，进行课题/论文调研；2：12月21日-12月25日，撰写选题报告；3：12月26日-1月15日，撰写开题报告；4：1月1日-3月27日，进行毕业设计，撰写设计说明或毕业论文，整理并修改毕业设计/毕业论文，准备答辩；5:3月28日-4月4月3日，论文审核；6:4月，准备答辩。主要参考文献和书目：【1】何龙.数控设各调试与维护M.重庆；西南交通大学出版社，2006.8。【2】李玉炜.数控机床精度测量及其补偿计算J.组合机床与自动化加工技 术，1998.1。【3】贾积雷，陈晖，傅建中.数控直线电机进给定位误差补偿技术研究J.机电工程，2005.7。【4】李为东.激光测量在数控机床定位中应用，上海计量测试，2004.5。【5】王侃夫著.数控机床故障诊断及维护M.北京：机械工业出版社，2001.5。【6】孙伟著.数控机床故障诊断及维护M.北京：国防工业出版社，2006.8。【7】张江华.三坐标数控机床运动误差的分析与检测J.机械工程师，2005（9）；21-22。【8】李书和.机床误差的快速检具J.组合机床与自动化加工技术，1998（3）；42-45。【9】沈云波.机床误差的正交光栅检测及分离J.河南科技大学学报，2003 （9）；37-39。【10】王光瑞，玉熙龄，陈式刚，混沌的控制、同步和利用，北京；国防工业出版社，2001。【11】卢辉斌，李丽香等，超混沌M-G系数参数辨识及其他通讯中的应用J.电子学报，2002，30（2）；289291。【12】周汗辉.数控机床精度检测项目与常用工具，制造技术与机床，1999，（8）。【13】张剑，加工中心精度检验标准的应用，制造技术与机床，1999，（5）。【14】吕振华，上官文彬，基于液-固耦合有限元仿真的液阻悬置集总参数模型动特性分析J.机械强度，2004，26（1）；29-37。【15】李小立，周云飞，周济.数控机床位置误差建模与补偿J.机械设计与制 造工程.1999（3）。指导教师签字： 年 月 日教研室主任签字： 年 月 日江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕业设计（论文）开题报告 机电工程系系部 数控 专业 2008 级（2011届）08数控（2）班 学生题 目：数控机床位置精度的检测和补偿本课题来源及研究现状：课题来源： 随着我国工业生产和国民经济的迅猛发展，数控机床作为一种高精度、高效率、稳定性强的自动化加工装备，已经成为机械行业必不可少的现代化装备。数控机床和加工中心作为新一代精密加工设备，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的精度提出了更高的要求。其中，数控机床的位置精度就是影响其高精度的一个重要方面。因此，对数控机床的位置精度进行检测和补偿是提高加工质量的有效途径，具有重大意义。研究现状： 国际上常采用双频激光干涉仪对数控机床的定位精度进行检测，那是由于双频激光干涉仪的检测精度较高。而目前在我国双频激光干涉仪数量极少，所以通常采用线纹尺显微镜法和块规法进行检测。对于数控机床位置精度的补偿，现在有机械式补偿法，软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法以及电气补偿法等等。课题研究目标、内容、方法和手段：研究内容：本文着眼于我国数控机床的迅猛发展，主要从以下五个部分进行研究：1、 简述数控机床的发展概况以及在机械制造业中的重要地位。从国际环境和我国数控技术现状出发，分析比较国际数控机床和我国机床间的差异，并且阐述大力发展我国数控机床的必要性和重大意义。二、了解并掌握数控机床的位置精度的概念以及其重要性，误差组成及误差检测项目和评定标准。必须了解到数控机床的位置精度是影响数控加工高精度的一个重要方面，对于进一步认识数控系统功能和数控机床的结构具有积极的现实意义。1.讨论数控机床存在的定位误差，了解它的基本特征分量主要分为：系统误差、随机误差、反向定位的失动量、最小可能移动量。除此四种特征分量之外，对有坐标原点之坐标行程的检测，还有一个测量原点复归精度的问题，也应进行测量并规定允差。2.了解数控机床位置精度的主要检测项目：直线运动位置精度（包括X,Y,Z,U,V,W轴）；直线运动重复定位精度；直线运动反向间隙（失动量）测定；直线运动的原点返回精度；回转运动定位精度（转台A,B,C轴）；回转运动重复定位精度；回转轴原点的返回精度；回转运动反向间隙（失动量）测定。3.掌握在数控机床检测中测量直线运动的检测工具：测微仪和成组块规，标准长度刻度尺和光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。标准长度测量以双频激光干涉仪为准。回转运动的检测工具有：360度齿精确分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅及平等光管等。4.了解数控机床位置精度的检测标准。目前国际上比较通行的机床位置精度检测标准有NMTBA、JIS、VDI/DGQ、ISO等，我国也有颁布国家标准GB1093189机床检验通则。本文只讨论国际标准ISO230-2，中国标准GB1093189，日本标准JIS B 6336及德国标准VDI/DGQ 3441。三、了解并掌握数控机床位置精度的几种常见检测方法，这也是本篇论文的侧重研究方面。数控机床位置精度的检测方法有三种：1.成组块规法，目前国内已经较少采用此法，故而本文不做过多介绍。2.线纹尺显微镜法，同时讨论其测量原理和测量方法。3.双频激光干涉仪检测法，鉴于目前我国已经很少再使用测微仪和成组块规法进行数控机床位置精度的检测，故而本文着重研究的是双频激光干涉仪检测方法。了解其在直线运动定位精度检测中的工作原理，并且对比标准长度刻度尺和光学读数显微镜检测法和双频激光干涉仪检测法的误差组成和影响因素，最终确定在进行数控机床位置精度检测时是应以双频激光干涉仪检测法为准。四、概述数控机床位置精度的补偿方法。对数控机床位置精度进行检测之后，通过数据采集和分析，针对机床所产生的误差必须对数控机床进行一定的补偿技术，并将所提出的补偿技术应用于实际的系统设计。数控机床位置精度的补偿方法有：机械式补偿法，软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法等。本文中的补偿方法主要介绍的是软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法。对上述检测的数控机床，进行数据分析，然后采取软件式补偿法，并比较补偿前后的精度差别。在半闭环伺服控制的数控机床中,可以通过数控系统所具备的螺距误差补偿功能和反向间隙补偿功能对机床的定位精度加以补偿。在NUM数控系统中,如果能正确地运用该功能,便能很快完成这种补偿,使数控机床的位置精度大大提高。五、对未来数控加工精度技术以及数控机床等设备发展的展望，始终坚信对于数控机床位置精度的研究方法将会变得更加多样化，便捷化，高效率化。研究目标： 本文研究的目标：本文通过对数控机床位置精度的检测方法的了解，分析处理采集到的数据并且进行软件补偿，比较补偿前后的精度差别，更好地减小或消除对机床精度的不利影响，提高机床的定位精度，使机床处于最佳精度状态，从而保证零件的加工质量。研究方法和手段：通过网络以及其他手段与方式等 ，调查了解有关现状，对文献涉及的主要原理、技术方法等进行总结、归纳评述，阐明当前有关方面的成果和动态。设计（论文）提纲及进度安排：提纲：一、 数控机床的发展概况及位置精度的检测和补偿的重要性。二、 数控机床位置精度的基本概念及其检测方法和标准。三、 数控机床位置精度的补偿方法。四、 结论进度安排：1：11月25日-12月20日，阅读有关文献资料，进行课题/论文调研2：12月21日-12月25日，撰写选题报告；3：12月26日-1月15日，撰写开题报告；4：1月1日-3月27日，进行毕业设计，撰写设计说明或毕业论文，整理并修改毕业设计/毕业论文，准备答辩；5:3月28日-4月4月3日，论文审核；6:4月，准备答辩。主要参考文献和书目：【1】何龙.数控设各调试与维护M.重庆；西南交通大学出版社，2006.8。【2】李玉炜.数控机床精度测量及其补偿计算J.组合机床与自动化加工技 术，1998.1。【3】贾积雷，陈晖，傅建中.数控直线电机进给定位误差补偿技术研究J.机电工程，2005.7。【4】李为东.激光测量在数控机床定位中应用，上海计量测试，2004.5。【5】王侃夫著.数控机床故障诊断及维护M.北京：机械工业出版社，2001.5。【6】孙伟著.数控机床故障诊断及维护M.北京：国防工业出版社，2006.8。【7】张江华.三坐标数控机床运动误差的分析与检测J.机械工程师，2005（9）；21-22。【8】李书和.机床误差的快速检具J.组合机床与自动化加工技术，1998（3）；42-45。【9】沈云波.机床误差的正交光栅检测及分离J.河南科技大学学报，2003 （9）；37-39。【10】王光瑞，玉熙龄，陈式刚，混沌的控制、同步和利用，北京；国防工业出版社，2001。【11】卢辉斌，李丽香等，超混沌M-G系数参数辨识及其他通讯中的应用J.电子学报，2002，30（2）；289291。【12】周汗辉.数控机床精度检测项目与常用工具，制造技术与机床，1999，（8）。【13】张剑，加工中心精度检验标准的应用，制造技术与机床，1999，（5）。【14】吕振华，上官文彬，基于液-固耦合有限元仿真的液阻悬置集总参数模型动特性分析J.机械强度，2004，26（1）；29-37。【15】李小立，周云飞，周济.数控机床位置误差建模与补偿J.机械设计与制 造工程.1999（3）。指导教师审核意见： 教研室主任签字： 年 月 日摘 要随着我国数控装备技术的发展，数控机床作为一种高精度、高效率、稳定性强的自动化加工设备，已经成为机械行业必不可少的现代化装备。数控机床的位置精度是影响其高精度的一个重要方面，因此有必要对数控机床进行位置精度的检测和补偿。本文介绍了我国数控机床的发展状况，数控机床位置精度的概念，误差组成及其检测项目；重点对双频激光干涉仪的检测方法和几种主要的补偿方法进行了研究；同时通过在本校实验实验室实测一台数控机床所得数据进行例证。关键字：数控机床,位置精度，检测， 双频激光干涉仪， 补偿ABSTRACTWith the development of numerical control technology and equipmentin CHINA, CNC machine tool as a high accurate, high efficient, highstable automatic machining equipment, it has been a absolutelynecessarily modern equipment in mechanism industry. The positioningaccuracy of the CNC machine tool is an important aspect whichaffects its high accurate, so it is necessary to measure andcompensate the positioning accuracy of the CNC machine tool. In thetext, the development status of the CNC machine tool in CHINA, thedefinition of the positioning accuracy of the CNC machine tool, thecomposing of the error and its measuring items are introduced. Andemphases on the research of the ML10 Laser Interferometermeasurement method and a few primary compensations. Certified theconclusions with the data captured in the school laboratory testedone CNC machine tools. KEY WORDS：CNC Machine Tools, Positioning Accuracy, Measurements ofPositioning Accuracy, ML10 Laser Interferometer, Compensation 目 录第一章 绪论1.1数控机床在机械制造业中的位置 1.2我国数控技术发展概况 1.3数控机床位置精度的检测及补偿的重要性 1.4本课题主要研究内容第二章 数控机床的位置精度 21 数控机床位置精度的基本概念 22 机床位置精度的主要检测项目第三章 数控机床位置精度的检测及标准 31 数控机床位置精度的检测方法 32 线性测量中存在的检测误差33 数控机床位置精度检测的标准第四章 数控机床位置精度的补偿41 概述42 电气补偿法43 软件补偿法结论参考文献致谢 第一章 绪论11 数控机床在机械制造业中的位置制造业是为国民经济各部门和国防建设提供技术装备的重要基础产业，无论是在工业发达国家还是发展中国家，其综合国力的基础都是制造业，它的每一次飞跃都会给人类社会带来深远的影响，可以说，没有发达的制造业就不会有国家的发达与强大。而作为先进制造技术的基础设备，数控机床与数控加工中心一直是研究的重点，另外，一些新兴的高科技项目，如数字通讯技术，现代医药产业，微电子元件及机电一体化产品等，都需要数控机床来制造。数控机床的制造与应用水平制约着这些领域的发展，尤其是在我国，对数控机床的精度和效率提出了更高的要求。总体上看，我国数控技术在精度，可靠性以及应用水平上都明显落后于先进国家。 随着中国成为当今世界倍具吸引力的国际机床大市场，一批具有相当规模、较高技术含量的国际加工组装基地出现在中国内地。不少跨国公司还把研发中心移到我国，出现了世界制造中心向我国逐渐转移的态势。全面开放的良好环境为我国制造业发展带来了历史性机遇“中国制造”的影响力越来越大。数控机床产业是制造业的基础产业和战略产业是国民经济的重要支柱是保证国防和尖端工业发展的战略资源。12 我国数控技术发展概况我国数控技术始于1958年，发展历程大致有3个阶段：第1阶段从1958- 1979年，即封闭式发展阶段，在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第2阶段是在国家的“六五”“七五”期间及“八五”的前期，引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第3阶段在国家的“八五”后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段，此阶段我国国产数控装备的产业化取得了实质性的进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达到50%，配国产数控系统（普及型）也达到了10%。纵观我国数控技术近50年的发展历程，尤其是经过4个5年计划的攻关，取得了以卜成绩：奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术即从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。初步形成数控产业基地，在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂和产业基地。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若千数控主机生产厂。建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发及产业化方面取得了长足的进步，但我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求有较大的差距。从纵向看，我国的发展速度很快，但横向比(与国外对比)，技术水平有差距，即一些高精尖的数控装备技术水平差距有扩大趋势。从国际来看，我国数控技术水平和产业化水平情况大致是：技术水平上，与国外先进水平大约落后10- 15年，在高精尖技术方面则更大。产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发，工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。存在的主要原因有：认识方面：对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。体系方面：从技术的角度关注数控产业化问题的时候多从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。机制方面：不良机制造成人才流失，不仅制约了技术及技术路线创新、产品创新，而且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。技术方面：企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。13 数控机床位置精度的检测及补偿的重要性随着我国国民经济的飞速发展，数控机床作为一种高精度、高效率、稳定性强的自动化加工设备，已经成为机械行业必不可少的现代化装备。数控机床和加工中心作为新一代的工作母机，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高,对数控机床的精度提出了更高的要求。数控机床的位置精度(主要是定位精度和重复定位精度)是影响其高精度的一个重要方面，也是精密零件加工制造时要考虑的一个重要项目。因此对数控机床的位置精度进行检测和补偿是提高加工质量的有效途径。运用数控机床位置精度检测与补偿方法，不但可以提高机床精度，而且对于进一步认识数控系统功能和数控机床结构具有积极现实的意义。本论文就是基于上述思想，利用双频激光干涉仪测量原理，通过误差补偿系统对数控机床进行检测和补偿,可以使其定位精度得到显著提高。14 本课题主要研究内容本课题主要研究数控机床位置精度的三种检测方法及补偿方法。数控机床位置精度的检测方法有：双频激光干涉仪检测法，块规法，线纹尺-显微镜法。本次论文要求了解块规法及线纹尺-显微镜法，学习RENISHAW的双频激光干涉仪检测方法。主要研究双频激光干涉仪在直线运动定位精度检测中的工作原理及使用方法。学习数控机床位置精度相关标准。检测一台数控机床。数控机床位置精度的补偿方法有：机械式补偿法，软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法等。主要研究软件式补偿法，丝杠螺距误差补偿法，电气补偿法。对上述检测的数控机床，进行数据分析，然后采取软件式补偿法，并比较补偿前后的精度差别。江西理工大学南昌校区2011届专科生毕业论文 第二章 数控机床的位置精度21 数控机床位置精度的基本概念简单的讲，位置精度就是指机床刀具趋近目标位置的能力。它是通过对测量值进行数据统计分析处理后得出来的结果。一般由定位精度、重复定位精度及反向间隙三部分组成。 机床的定位精度是指机床的移动部件如工作台、溜板、刀架等在调整或加工过程中，根据指令信号，由传动系统驱动，沿某一数控坐标轴方向移动一段距离时，实际值与给定值的接近程度(图2-1）。定位精度的高低用定位误差的大小衡量。按国家标准规定，对数控机床定位精度采用统计检验方法确定 图2-1 定位精度示意图重复定位精度是指在数控机床上，反复运行同一程序代码，所得到的位置精度的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给传动环节的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的精度指标。在进给轴运动方向发生改变时，机械传动系统都存在一定的间隙，这个间隙称为反向间隙，它会造成工作台定位误差，间隙太大还会造成系统震荡。211 定位误差的统计检验方法对于某一目标位置，当按给定指令使移动部件移动时，其实际到达位置与目标位置之间总会存在误差，多次向该位置定位时，误差值不可能完全一致，而总会有一定的分散。定位误差按其出现的规律可分为两大类：（1）系统性误差 误差的大小和方向或是保持不变，或是按一定的规律变化。前者称为常值系统性误差，后者称为变值系统性误差。（2）随机性误差 误差的大小和方向是不规律地变化的。实际上两类性质的误差是同时存在的。引起这两类误差的原因不同，解决的途径也不一样。为了评价和改善定位精度，首先必须区分定位误差中的两类不同性质的误差。随机性误差表面上看起来虽然没有什么规律，但是应用数理统计方法还是可以找出其分布的总体规律的。定位（测量）次数愈多（100次），则规律性愈明显。生产实践表明，定位误差的分布符合正态分布的统计规律，其分布曲线近似于一条正态分布曲线(图2-2)。图2-2 定位误差的分布曲线212 定位精度的确定定位精度主要用以下三项指标表示：（1） 定位精度 某点的定位误差为该点的平均位置偏差与该点误差分散范围之半的和。（2） 重复定位误差 误差的分散范围表示了移动部件在该点定位时的重复定位精度。重复定位精度越低，对整个夹具的定位来说精度越高。（3） 反向差值 当移动部件从正、反两个方向多次重复趋近某一点定位时，正、反两个方向的平均位置偏差是不相同的。同时，从正、反向趋近定位点时，误差的分散范围也会不同。因此，从不同方向向某点定位时，其定位精度和重复定位精度也会有所不同。2.2 机床位置精度的主要检测项目机床位置精度的主要检测项目有:直线运动位置精度(包括X ,Y,Z,U,V,W轴)；直线运动重复定位精度；直线运动反向间隙(失动量)测定；直线运动的原点返回精度；回转运动定位精度(转台A,B,C轴)；回转运动重复定位精度；回转轴原点的返回精度；回转运动反向间隙(失动量)测定。测量直线运动的检测工具有：测微仪和成组块规，标准长度刻度尺和光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。标准长度测量以双频激光干涉仪为准。回转运动的检测工具有：360度齿精确分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅及平等光管等。本文在第三章中将介绍数控机床位置精度检测的直线运动位置精度检测方法。故主要检测以下四项内容：（1） 直线运动定位精度检测 直线运动定位精度一般都在机床和工作台空载条件下进行。常用检测方法如图2-3所示。图2-3 直线运动定位精度检测按国家标准和国际标准化组织的规定（ISO标准），对数控机床的检测，就以激光测量（图2-3b）为准。但目前国内激光测量仪较少，大部分数控机床生产厂的出厂检测及用户验收检测还是用标准尺进行比较测量（图2-3a）。为了反映出多次定位中的全部误差，ISO标准规定每个定位点按五次测量数控算出平均值和散差。所以这时的定位精度曲线已不是一条曲线，而是一个由定位点平均值连贯起来的一条曲线加上散差带构成的定位点散差带，如图2-4所示。图2-4 定位精度曲线此外，数控机床现有定位精度都是以快速定位测定，这也是不全面的。在一些进给传动链刚度不太好的数控机床上，采用各种进给速度定位时会得到不同的定位精度曲线和不同的反向死区（间隙），因此，对一些质量不高的数控机床，即使有很好的出厂定位精度检查数据，也不一定能成批加工出高加工精度的零件。另外，机床运行时正、反向定位精度曲线由于综合原因，不可能完全重合，甚至出现别的特征情况。测定的定位精度曲线还与环境温度和轴的工作状态有关。目前大部分数控机床都是半闭环的伺服系统，它不能补偿滚珠丝杠的热伸长，该热伸长能使定位精度在一米行程上相关0.010.02mm。为此，有些机床采用预拉伸的方法来减小热伸长的影响 。（2）直线运动重复定位精度的检测 检测用的仪器与检测定位精度所用的相同。一般检测方法是在靠近各坐标行程的中点及两端的任意三个位置进行测量，每个位置用快速移动定位，在相同条件下重复作七次定位，测出停止位置数值并求出读数的最大差值。以三个位置中最大一个差值的二分之一，附上正负符号，作为该坐标的重复定位精度。它是反映轴运动精度稳定性的最基本的指标。（3）直线运动的原点返回精度 原点返回精度，实质上是该坐标轴上一个特殊点的重复定位精度，因此它的测定方法完全与重复定位精度相同。（3） 直线运动失动量的测量 失动量的测定方法是在所测量坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一个方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测量（一般为七次），求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为失动量的测量值 。坐标轴的失动量是该坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电机、伺服油马达和步进电机等）的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙和弹性变形等误差的综合反映。这误差越大则定位精度和重复定位精度也越差。第三章 数控机床位置精度的检测及标准31 数控机床位置精度的检测方法311 成组块规法现国内已经较少采用此法，故本论文不做介绍。312 线纹尺显微镜法（1）测量原理 以精密线纹尺作为标准器，采用相对测量法进行测量，求出被测数控机床坐标轴上各被测点的位置偏差。当数控机床沿被测坐标轴的轴线方向作直线移动到目标位置时，通过读数显微镜从精密线纹尺精确读出该目标位置的读数值，经过误差修正得该目标位置的实际位置。按位置偏差定义，实际位置减目标位置之差值即为该测点从的位置偏差。据GB10931-89及各点的位置误差，经过数据处理，即可评定数控机床的位置误差。（2）测量方法 a、线纹尺及读数显微镜的安装。 遵循阿贝原则将0级或1级线纹尺安放在机床的工作台上，如图3-1示。首先用磁性表架6将杠杆千分表5固定在机床的主轴7上，以线纹尺1的外侧面为测量面，启动机床使其主轴或工作台3作轴向移动，反复调整线纹尺，使之与被测坐标的轴线方向一致。调整时可先用橡皮泥2固定，调整好后再加上两个磁性表座4紧固，若检测竖直方向(Y轴或Z轴)的位置误差，可用方箱3作为定位基面，如图3-2。取下杠杆千分表及表座，用自制专用夹具7将读数显微镜6固定在机床主轴9上。自制夹具应稳定可靠，调整方便。调整好读数显微镜，应使线纹尺5的刻度线清晰地成象在其目镜视场内。图3-2中，1为橡皮泥,2为磁性表座，4为工作台，8为测量芯轴。 图3-1 图3-2b、目标位置及循环方式的选择。 目标位置是指运动部件要达到的位置。目标位置的选择须客观真实地反映其周期误差。在被测轴向的全部工作行程内随机选取各目标位置。 c、测量步骤。 测量前被测机床和线纹尺等应在20士5室温内等温12小时。测量时将三只分度值为0. 1的温度计分别放置在机床的工作台及光栅尺附近的两侧，并记下测量始末的温度值。测量时，空气温度的变化应小于士0.2/h。按选择的目标位置及循环方式编制机床的检测程序，然后启动机床以快速或制造厂规定的速度沿轴线直线运动，逐次定位，从读数显微镜依次读出各目标位置的读数值。测量过程中应在测量位置停留足够时间，以便准确地观察和记录。313步距规测量定位精度和重复定位精度的测量仪器可以用激光干涉仪、线纹尺、步距规。其中用步距规测量定位精度因其操作简单而在批量生产中被广泛生产采用。无论采用哪种测量仪器，其在全程上的测量点数不应少于5点，测量间距按下式确定Pi=i*P+k，其中，P为测量间距；k在各自目标位置取不同的值，以获得全测量行程上各自目标位置的不均匀间隔，以保证周期误差被充分采样。下图3-3即为步距规机构图。 图3-3 步距规机构图313 双频激光干涉仪检测法激光干涉仪量程大（几十米），测量精度高（0.01微米级）可以用于反向间隙和螺距误差。新型的激光干涉仪还具有测量机床几何误差、补偿数据自动生成和输入的功能。（1）激光干涉测量原理图3-4 激光干涉测量原理图1、激光器；2、1/4波片；3、分光器；4、检偏器；5、接收器；6、偏振分光器；7，8、反射镜；9棱镜将He- Ne激光器1置于永久磁场中，由于塞曼效应使激光原子谱线分裂为旋转方向相反的左右圆偏振光。设两束光振幅相同，频率分别为f1和f2 (f1和f2相差很小）。左右圆振光经1/4波片2后变成振动方向相互垂直的线偏振光。分光器3将一部分光束反射，经检偏器4形成 f1、f2拍频信号，由接收器5接收为参考信号；另一部分光束通过分光器3进入偏振分光器6,其中平行于分光面的频率为f2的线偏振光完全通过分光器6到达可动反射镜8，可动反射镜8以速度移动时，由于多普勒效应产生差频f，这时f2变成f1-(f2f）；而垂直于分光面的频率为f1的线偏振光完全发射到固定反射镜7。从反射镜7和8发射回来的两束光到偏振分光器6的分光面会合，再经转向棱镜9、偏振器10，由接收器11接收为测量信号，测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差f,计数在时间内计取频率为f的脉冲数。（2）线性测量原理图3-5 线性测量的光学设置要设置线性测量，将一个线性反射镜连接到具有两个紧螺纹的分光镜上。这个组合被称为“线性干涉镜”，可以作为激光束的参考路径。线性干涉镜位于 ML10 激光器和线性反射镜之间的光束路径，如图3-5所示。分光镜管上标有两个箭头以显示其方位。 箭头应指向两个反射镜，如上图所示。ML10 激光器的光束会射入线性干涉镜，再分为两道光束。一道光束（称为参考光束）射向连接分光镜的反射镜，而第二道光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜。这两道光束会再反射回分光镜，重新汇聚之后返回激光头，其中会有一个探测器监控两道光束间的干涉。在线性测量时，其中一个光学元件保持不变，而另一个则沿着线性轴移动。定位测量是通过监控测量及参考光束间光路差异的变化来执行的（两个光学元件间的差分测量与 ML10 激光器的位置无关）。此种测量可与待测机床的标尺读数比较，获得机床精度的任何误差。(3)线性测量设置图3-6 用于测量定位精度的典型系统设置测量线性定位的典型系统设置如图3-6所示。按如下步骤设定用于线性测量的激光器系统：把校准软件安装在具有PCM10 或 PCM20（PCMCIA)卡的Renishaw接口的笔记本上。首先将线性镜组安装到要检测的机床上。其次在三脚架上安装 ML10 激光头，并将 ML10 以及 EC10连接到接口卡上。然后将数据连接电缆的一端插到 PC10/PCM20 接口卡上的 5 针插座中，另一端插到 ML10 激光器后部的插座中。同样再将 EC10 连接到接口卡上，将环境传感器连接到 EC10 上，将 EC10 的空气传感器放在机床上或附近的适当位置，将材料温度传感器放在机床上的适当位置。为了安全起见，把ML10 激光器的光闸旋转到它的闭合位置，如下图3-6所示。图3-7 ML10 光闸位置 - 不发出任何光束。打开 ML10 激光器和 EC10以及 PC 机的主电源。大约需要 10 到 15 分钟让 ML10 稳定下来，然后运行线性数据采集软件，同时使激光束与机床的运动轴准直。(4)线性光束准直A、准直线性光束将 ML10 的激光束调整到与运动轴平行位置，以获得通过机床全行程的信号强度足够大，并使余弦测量误差最小化。本节中说明的准直调整过程，光学镜组设定如图3-8所示。图中，线性干涉镜是固定光学镜，而反光镜是移动光学镜。图3-8B、线性干涉镜及反射镜的定位 1、调整三脚架及激光器，使其垂直指向测量镜组。目测瞄准，使激光器大略与运动轴准直。2、旋转光闸，使激光器发出图3-9中所示的直径变小的光束。 图3-93、移动机床，使线性反射镜靠近激光器，并将一个光靶安装在前端，白点朝上。调整激光器或机床位置，直到光束击中光靶上的白点。此时线性干涉镜不应置于激光器及线性反射镜之间。图3-104、调整激光器或机床位置，直到激光束击中光靶的中心。 图3-115、将线性干涉镜与反射镜放置的越近越好，如图3-12所示。当它们的位置离得很近时，只需调整激光头就能完成其余部分的准直调整。图3-126、使干涉镜和反射镜的外表面互相准直并与机床垂直。7、将光靶安装在干涉镜的入射光孔中，使白点在上，并垂直和水平平移干涉镜，使光束击中光靶。图3-138、首先在干涉镜和反射镜之间放一张卡遮断从反射镜返回的光束。取下线性干涉镜光靶，调整干涉镜位置，直到激光束击中白色光靶的中心。图3-1432 线性测量中存在的检测误差321 死程误差死程误差是在线性测量过程中与环境因素改变有关的误差，这时已采用 EC10 自动补偿功能。 在正常状况下，死程误差并不大，而且只会发生在定标后以及测量过程中的环境改变。路径 L2 的激光测量死程误差与两个光学元件间的距离有关，此时系统定标为L1，如图3-15。若干涉镜及反射镜之间没有动作，且激光束四周的环境状况有所改变，整个路径(LI + L2)的波长（空气中）都会改变，但激光测量系统只会对 L2 距离进行补偿。 因此，死程测量误差会由于光束路径 L1 没有获得补偿而产生。图3-15 死程误差不过，若当设定定标时固定和移动镜组彼此邻接，死程误差就可忽略不计。如下图3-16所示。图3-16 死程误差可不计时的正确设置如果可能，定标激光器时使镜组互相靠近。 若定标激光器时镜组彼此相隔不到 10 mm，则正常状况下的死程误差就可忽略。 机床几何显示当移动镜组位于轴的零点位置，这两个镜组彼此分得最开，此时可用预置功能来避免与定标激光干涉镜系统有关的潜在死程误差。322 余弦误差激光束路径与运动轴之间存在的任何未准直都会造成测得的距离和实际的运动距离之间有差异。此未准直误差通常被称为余弦误差。 此误差的大小与激光束和运动轴间的未准直角度有关。当激光测量系统与运动轴未准直时，余弦误差会使得测量的距离比实际距离要短。 随着角度未准直的增加，误差也跟着显著增加，如下表所示：角度 q ( mm/metre) 角度 q（弧分）误差 ( ppm) 0.451.001.403.204.5010.001.533.434.8710.8715.3935.390.10.51.05.010.050.0要使余弦误差达到最小，测量激光束必须准直，并与运动轴平行。在长于一米的轴上，使用提供的准直步骤很容易达到这个目的。但在较短的轴上就变得相当困难，需用下面方法来最优化准直并使余弦误差最小：最大化激光读数自动反射方式设置直线度测量过程中的斜率消除 不要假设由于信号强度在整个运动轴上都保持不变，准直就会完美无误。校准软件中的信号强度表的灵敏度和分辨率不足以确保短轴上的精确准直。323 材料死程误差线性测量时，材料膨胀补偿通常只会应用至等于所测激光距离的材料死程长度。 若测量回路包含其它结构，则该“材料死程”的任何热膨胀或收缩或是负载偏差将会导致测量误差。 请将镜组直接安装到所需的测量点上可使这些误差达到最小。33 数控机床位置精度检测的标准目前,国际上比较通行的标准有NMTBA(美国机床制造商协会标准)、JIS(日本工业标准)、VDI/DGQ(德国工程师协会/德国质量协会标准)、ISO(国际标准)等。在本课题中，将采用我国常使用的国际标准(ISO 230-2)及国家标准GB10931-89。331 国际标准 ISO230-2ISO 230一2数控机床定位精度和重复定位精度的确定。本国际标准是由ISO的TC39技术委员会(即机床技术委员会)于1986年起草，并于1988年11月首次正式颁布。该标准采用三项参数评定机床的位置精度、即:定位精度、双向重复定位精度及平均反向误差。坐标轴的定位精度： 从公式可以看出，定位精度不考虑位置和运动方向，由两个极值与之差的最大值来确定。这个定义适用于单向和双向定位精度。平均反向误差： (在一个位置上的反向误差)从上述三项参数计算式中可以看出.位置精度是用统计方法求得的。332中国标准 GB10931-89我国参照国际标准化组织1988年制定的IS023G-2标准的主要内容，于1989年制定了国家标准数控机床位置精度的评定方法GB10931一89。据此，数控机床的位置精度主要评定以下三项精度指标:1)机床的重复定位精度R由于实测中测量次数n小于10，则宜采用下式计算标准偏差值，来代替 式中字母的含义同前，只是可用，代入，可用，代入。各测点的重复定位精度为： 式中j坐标轴上各测点的位置序号，（j=1,2,3.m）所以机床的重复定位精度为各测点重复定位精度和中的最大值，即： 2)机床的定位精度A机床的定位精度为双向趋近各目标位置时、中的最大值与、中的最小值之差值，即： 3)机床的反向差值B(反向间隙)此项误差值为各目标位置反向差值中的最大绝对值，即： 第四章 数控机床位置精度的补偿41 概述 误差补偿的原理，就是人为地制造一个大小相等、方向相反的误差去补偿修整原有的误差。在三维空间内的定位误差补偿可用误差矩阵的形式表示，只要实测出数控机床各坐标轴的定位误差后，就可以确定误差修正值对机床工作空间任一点的定位误差进行补偿。误差补偿一般用于补偿系统性误差，由于大多数情况下系统性误差总是大于随机性误差因此其效果显著。数控机床通常采用电气补偿法进行反向间隙补偿和螺距累积误差补偿来提高定位精度。在CNC机床上则可采用软件补偿方法进行各坐标轴的定位误差补偿。采用该法灵活性大，补偿量可以方便地改变，因此，不仅可以补偿机床定位误差，还可以补偿工艺系统其他各项误差。42 电气补偿法421 反向间隙误差补偿即使在机械设计中采取了消除间隙的措施，实际制造中反向间隙往往不可能完全消除，加上受力变形的影响，使数控系统在发出反向指令信号后，工作台并不能立即反向移动，必须在完全消除反向间隙和克服弹性变形后，工作台才能随之移动。反向间隙补偿反向间隙补偿又称为齿隙补偿。机械传动链在改变转向时,反向间伺服电动机空转而工作台实际上不运动,称为失动