数控设备的安装调试.docx

第2章 数控机床安装调试检测与验收

机床的正确安装和调试是保证机床用好，充分发挥其效益的首要条件。数控机床是高精度的机床，由于安装和调试的失误，往往造成精度的丧失，故障率的增加，因而引起高度重视。在进行机械故障的诊断与维护，特别是在加工出现质量问题时，很大程度上就可能属于机床的精度故障，因此精度的检测也就显得十分重要。机床的精度一般包括机床的静态几何精度、动态的位置精度及加工时的工作精度。
本章首先介绍数控机床的安装与调试，然后介绍数控机床精度的检测与验收，最后介绍数控机床软件补偿原理，这是提高机床精度的有效办法，实现用较低精度的机床，加工出较高精度的产品。
2.1数控机床的安装
2.1.1开箱
机床到达后，首先应进行开箱检查，察看外观有无损伤，在确保运输无损伤的情况下，按照附件箱所列的装箱清单一一清点各物件，若有不合格的地方应及时通知供货厂商。根据开箱的情况，如有安装地脚螺栓及基础要求的机床，应按照机床安装说明书上的要求浇铸混凝土机床及地脚螺栓，做好电源出线孔，机床接地等。一般机床都会配备调整垫铁以调整机床水平。
2.1.2机床落位与连接
将机床落到位后，确保每个垫铁不悬空，然后按照机床使用说明书的要求进行连接，包括冷却箱、排屑车等的连接；去掉为防止运输过程中各防护罩移动的锁紧螺钉；松开（铣床、加工中心机床）主轴箱与配重的锁紧螺杆；松开各移动轴止动卡片（为防止运输过程中产生移动所设）等。连接好电源线，便于机床上电调试。
2.2数控机床的调试
2.2.1通电试车
将系统上电，在移动各运动轴前，用干净棉纱将机床表面的防锈油擦拭干净，没有自动润滑站的要加上润滑油，然后依次测试各种手动功能，移动各个轴，确保各个状态正常。
2.2.2水平调整
一般数控机床的绝对水平调整在0.04/1000 mm的范围之内。对于车床，除了水平和不扭曲达到要求外，还应进行导轨直线度的调整，确保导轨的直线度为凸的合格水平。对于铣床、加工中心机床，应确保运动水平（工作台导轨不扭曲）也在合格范围内。水平调整合格后，才可以进行机床的试运行。
2.3 数控机床的检测与验收
23.1检测与验收的工具
几何精度的检测，主要用的工具有平尺、带锥柄的检验棒、顶尖、角尺、精密水平仪、百分表、千分表、杠杆表、磁力表座等；位置精度检测主要用的机床是激光干涉仪及块规；加工精度检验机床主要有千分尺及三坐标测量仪等。机床运行时测试噪声可以用噪声仪，机床的温升测试可以用点温计或红外热像仪。外观测试用的设备主要有光电光泽度仪等。
2.3.2噪声温升及外观的检测与验收
主要检测机床油漆的表面质量，包括油漆有无损伤、油漆色差、流挂及油漆的光泽度等，一般要求反光率≥72%。将机床启动，检查其运行的噪声情况，一般不允许超过83dB。机床不得有渗油、渗水、渗气现象。检查主轴运行温度稳定后的温升情况，一般其温度最高不超过700C，温升不超过320C。
2.3.3 几何精度的检测与验收
数控机床种类繁多，对每一类数控机床都有其精度标准，应按照其精度标准检测验收。现以常用的数控车床、数控铣床为例，说明其几何精度的检测方法。
1、数控车床几何精度的检测
根据数控车床的加工特点及使用范围，要求其加工的零件外圆圆度和圆柱度、加工平面的平面度在要求的公差范围内；对位置精度也要达到一定的精度等级，以保证被加工零件的尺寸精度和形状公差。因此，数控车床的每个部件均有相应的精度要求，CJK6032数控车床的具体精度要求见表2-1所示。

2、数控铣床的几何精度的检测
数控铣钻床ZJK7532A的三个基本直线运动轴构成了空间直角坐标系的三个坐标轴，因此三个坐标应该互相垂直。铣床几何精度均围绕着“垂直”和“平行” 展开，其精度要求详见表2-2所示。

3、工作精度的验收
机床的质量好与坏，其最终的考核还是看该机床加工零件的质量如何，一般来讲，对于机床一般项精度与标准存在一定范围的偏差时，以该机床的加工精度为准。车床、铣床分别以数控车床CJK6032、数控铣钻床ZJK7532A为例进行说明，一般进行的是一个综合试件的加工质量来进行评价，具体要求按表2-1的P1、P2、P3，表2-2的P4。
2.3.4 数控机床位置精度测试常用的测量方法及评定标准
1、定位精度和重复定位精度的确定
①GB/T12421.2-99国家标准评定方法
·目标位置Pi ：运动部件编程要达到的位置。下标i表示沿轴线选择的目标位置中的特定位置。
·实际位置Pij（i=0~m，j=1~n）：运动部件第j次向第i个目标位置趋近时的实际测得的到达位置。
·位置偏差Xij ：运动部件到达的实际位置减去目标位置之差，Xij =Pij —Pi。
·单向趋近：运动部件以相同的方向沿轴线（指直线运动）或绕轴线（指旋转运动）趋近某目标位置的一系列测量。符号↑表示从正向趋近所得参数，符号↓表示从负向趋近所得参数，如Xij↑或Xij↓。
·双向趋近： 运动部件从二个方向沿轴线或绕轴线趋近某目标位置的一系列测量。
·某一位置的单向平均位置偏差↑或 ↓： 运动部件由n次单向趋近某一位置Pi所得的位置偏差的算术平均值。 ↑= 或 ↓=
·某一位置的双向平均位置偏差 ：运动部件从二个方向趋近某一位置Pi所得的单向平均位置偏差↑和 ↓的算术平均值。= （↑+↓）/2
·某一位置的反向差值Bi ：运动部件从二个方向趋近某一位置时两单向平均位置偏差之差。 Bi=↑—↓
·轴线反向差值B和轴线平均反向差值：运动部件沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的绝对值│Bi│中的最大值即为轴线反向差值B。沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的Bi的算术平均值即为轴线平均反向差值
B=max.[ │Bi│]
=
·在某一位置的单向定位标准不确定度的估算值Si↑或Si↓：
通过对某一位置Pi的n次单向趋近所获得的位置偏差标准不确定度的估算值。即
Si↑= 和 Si↓=
·在某一位置的单向重复定位精度Ri↑或Ri↓及双向重复定位精度Ri
Ri↑=4 Si↑ 和 Ri↓=4 Si↓
Ri =max.[2 Si↑+ 2 Si↓+│Bi│； Ri↑；Ri↓]
·轴线双向重复定位精度R ，则有
R=max.[Ri]
·轴线双向定位精度A： 由双向定位系统偏差和双向定位标准不确定度估算值的2倍的组合来确定的范围。 即
A= max (i↑+2 Si↑i↓+2 Si↓)－min (i↑-2 Si↑；i↓-2Si↓)
②定位精度和重复定位精度的确定JISB6330-1980标准（日本）
·定位精度A：在测量行程范围内（运动轴）测2点，一次往返目标点检测（双向）。测试后，计算出每一点的目标值与实测值之差，取最大位置偏差与最小位置偏差之差除以2，加正负号（±）作为该轴的定位精度。即：
A=±1/2 ｛Max. [（Max. Xj↑-Min. Xj↑），（Max. Xj↓-Min. Xj↓）]｝
·重复定位精度R：在测量行程范围内任取左中右三点，在每一点重复测试2次，取每点最大值最小值之差除以2就是重复定位精度；即
R=1/2 [MaxMax. Xi - Min.Xi）]
2、 定位精度测量工具和方法
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采用。无论采用哪种测量仪器，其在全行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在各目标位置取不同的值，以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔，以保证周期误差被充分采样。
①步距规测量
P0
10
φ50
φ80
Pi
P2
P1
图6 步距规结构图
步距规结构如图2-1所示：尺寸P1、P2、…. Pi按100mm间距设计，加工后测量出P1、P2、…. Pi的实际尺寸作为定位精度检测时的目标位置坐标（测量基准）。以ZJK2532A铣床X轴定位精度测量为例，测量时，将步距规置于工作台上，并将步距规轴线与X轴轴线校平行，令X轴回零；将杠杆千分表固定在主轴箱上（不移动），表头接触在P0点，表针置零；用程序（见附件一）控制工作台按标准循环图（图2-2）移动，移动距离依次为P1、P2、…. Pi，表头则依次接触到P1、P2、…. Pi点，表盘在各点的读数则为该位置的单向位置偏差，按标准循环图测量5次，将各点读数（单向位置偏差）记录在记录表中，按“2.3.4定位精度和重复定位精度的确定 GB/T12421.2—99标准”对数据进行处理，可确定该坐标的定位精度和重复定位精度。
位置i（m=5）
i 0 1 2 3 … m=5
循环 j
j=1,2,..n
图7 标准检验循环图

1

2

3
…

n

②激光干涉仪测位置精度
·测量原理 激光干涉仪一般采用的是氦氖激光器，其名义波长为0.633um，其长期波长稳定性高于0.1ppm。干涉技术是一种测量距离精度等于甚至高于1ppm的测量方法。其机理是：把两束相干光波形合并相干（或引起相互干涉），其合成结果为两个波形的相位差，用该相位差来确定两个光波的光路差值的变化。当两个相干光波在相同相位时，即两个相干光束波峰重叠，其合成结果为相长干涉，其输出波的幅值等于两个输入波幅值之和；当两个相干光波在相反相位时，即一个输入波波峰与另一个输入波波谷重叠时，其合成结果为相消干涉，其幅值为两个输入波幅值之差，因此，若两个相干波形的相位差随着其光程长度之差逐渐变化而相应变化时，那么合成干涉波形的强度会相应周期性的变化，即产生一系列明暗相间的条纹，激光器内的检波器，根据记录的条纹数来测量长度，其长度为条纹数乘以半波长。
·测试方法 首先将反射镜置于机床的不动的某个位置，让激光束经过反射镜形成一束反射光；其次将干涉镜置于激光器与反射镜之间，并置于机床的运动部件上，形成另一束反射光，两束光同时进入激光器的回光孔产生干涉；然后根据定义的目标位置编制循环移动程序，记录各个位置的测量值（机器自动记录）；最后进行数据处理与分析，计算出机床的位置精度。测量示意图如图9所示。

图8 激光干涉仪测量示意图

2.4数控机床软件补偿原理
一般来讲，数控机床的优势在于软件（数控系统）和硬件（机床）的有机结合，才能很好的发挥数控机床的各种特性及先进的功能。一台数控设备经过一年的运行，很多移动部件都发生了不同程度的磨损，其位置精度都会发生变化。即使未到大修年限，一般精密级的数控机床，都会重新进行位置精度的测试及补偿，其也属于机床维修及维护的重要一部分，当然，大修的数控机床就必须进行位置精度的测试及补偿了。本章着重介绍一下精度补偿的一般性原理及方法。
↑
X
Pi
Pij↑
0
图2-4螺矩误差补偿原理
Pi
2.4.1螺距补偿原理
数控机床软件补偿的基本原理是在机床的机床坐标系中，在无补偿的条件下，在轴线测量行程内将测量行程等分为若干段，测量出各目标位置Pi的平均位置偏差↑，把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补指令上，如图2-4所示，指令要求沿X轴运动到目标位置Pi，目标实际位置为Pij，该点的平均位置偏差为↑；将该值输入系统，则系统CNC在计算时自动将目标位置Pi的平均位置偏差↑叠加到插补指令上，实际运动位置为：Pij=Pi+↑，使误差部分抵消，实现误差的补偿。螺距误差可进行单向和双向补偿。
工作台
0
Pi

X
L
图2-5反向间隙补偿
2.4.2反向间隙补偿原理
反向间隙补偿又称为齿隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于反向间隙的存在，会引起伺服电动机的空转，而无工作台的实际运动，又称失动。反向间隙补偿原理是在无补偿的条件下，在轴线测量行程内将测量行程等分为若干段，测量出各目标位置Pi的平均反向差值，作为机床的补偿参数输入系统。CNC系统在控制坐标轴反向运动时，自动先让该坐标反向运动值，然后按指令进行运动。如图2-5所示，工作台正向移动到O点，然后反向移动到Pi点，反向时，电机（丝杆）先反向移动，后移动到Pi点；该过程CNC系统实际指令运动值L为：
L=Pi+
反向间隙补偿在坐标轴处于任何方式时均有效。在系统进行了双向螺距补偿时，双向螺距补偿的值已经包含了反向间隙，因此，此时不需设置反向间隙的补偿值。
2.4.3 误差补偿的适用范围
从数控机床进给传动装置的结构和数控系统的三种控制方法可知，误差补偿对半闭环控制系统和开环控制系统具有显著的效果，可明显提高数控机床的定位精度和重复定位精度。对全闭环数控系统，由于其控制精度高，采用误差补偿的效果不显著，但也可进行误差补偿。
2.4.4补偿实例
现以ZJK2532A数控铣钻床的X轴为例，该机床配置华中数控世纪星系统。测量方法为“步距规”测量；设某步距规实际尺寸为：
位置
P0
P1
P2
P3
P4
P5
实际尺寸mm
0
100.10
200.20
300.10
400.20
500.05
1、测试步骤如下：
。在首次测量前，开机进入系统（华中数控HNC-2000或HNC-21M），依次按“F3参数”键、再按“F3输入权限”键进入下一子菜单，按F1数控厂家参数，输入数控厂家权限口令，初始口令为“NC”，回车，再按“F1参数索引”键，再按“F4轴补偿参数”键如图2-6所示，移动光标选择“0轴” 回车，即进入系统X轴补偿参数界面如图2-8所示，将系统的反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零，按“Esc”键，界面出现对话框“是否保存修改参数？”，按“Y”键后保存修改后的参数。按“F10”键回到主界面，再按“Alt+X”，退出系统，进入DOS状态，按“N”回车进入系统；
。编制步距规的测量程序，实现图2-2所示测量循环。程序名为“OJX”；程序详见附件1；将步距规实际尺寸P1、P2、…. Pi 填入测量程序的变量中；
。将步距规置于工作台中间位置，注意步距规的方向，P0点朝向X轴负向，用压板轻轻地固定，并用百分表将步距规轴线与X轴导向导轨校平行，平行度允差0.02mm；
。使工作台沿X轴向回零，Y轴置于行程中间位置；将杠杆千分表固定在主轴箱上（不移动），表头接触在P0点，表针置零；如图2-6所示。
b
a
图2-6步距规安装示意图

图2-7参数索引界面
。将波段开关置于“单段”，进给修调置于“100%”，选择检测程序“OJX”，重复按“循环启动”，当程序执行到“N05”行时，将表针再次置零，再将波段开关置于“自动”后，按“循环启动”开始测量，在测量完成前不应调整杠杆千分表表针。
。在测量程序运行中，当工作台运动到目标位置时，表头接触到步距规测量面，测量程序设置有暂停3秒（G04X3），此时记下表针读数，记录在“测试记录表”中。例如在第一次测量，工作台负向运动到P1点时表针读数为“6”时，读数“6”记录在“P1，↑，X1”位置。如表2-7所示。
。测量5个循环，并将读数记录到“测试记录表”中。停止运行，将表头移开测量面。
2、数据处理
按“2.3.4定位精度和重复定位精度的确定—— GB/T12421.2—99标准”对数据进行处理，先计算出“平均位置偏差”、 “反向差值Bi ”和“平均反向值Bi” ；
3、 误差补偿
按测试步骤操作进入系统X轴补偿参数表，见表2-3。
①反向间隙补偿
将记录表中计算所得的轴线平均反向差值写入系统X轴补偿参数表的“反向间隙（内部脉冲当量）”后的数据栏；
②单向螺距补偿
。将“螺距补偿类型”设为“1”，“补偿点数”设为“6”，“补偿间隔” 设为“100000”，“参考点偏差号” 为“5”；
。将“记录表”中“平均位置偏差↑”的值填入“X轴补偿参数表”
表2-3测试记录表
实
验
记
录
机床型号
ZJK2532A
测试坐标
X
测试者

机床编号

测试温度

日 期

i=
0
1
2
3
4
5
目标位置Pi =
0
-100.10
-200.20
-300.10
-400.20
500.05
趋近方向
↑
↓
↑
↓
↑
↓
↑
↓
↑
↓
↑
↓
位置 j=1
偏差 2
Xij 3
4
（μm） 5
0

6

数据处理
平均位置偏差
1
2
3
4
5
6
2
8
9
10
11
12
反向差值Bi

平均反向差值Bi

的“偏差值[]”内；即：
将↑值“1”填入“偏差值（内部脉冲当量） [ 5 ]”
将↑值“3”填入“偏差值（内部脉冲当量） [ 4 ]”
将↑值“5”填入“偏差值（内部脉冲当量） [ 3 ]”
将↑值“2”填入“偏差值（内部脉冲当量） [ 2 ]”
将↑值“9”填入“偏差值（内部脉冲当量） [ 1 ]”
将↑值“11”填入“偏差值（内部脉冲当量）[ 0 ]”
补偿后的参数如图2-8所示。单向补偿后，按上述测试步骤再次进行定位精度的测量并进行数据处理。 计算出X轴线单向补偿后的定位精度和重复定位精度。
③ 双向螺距补偿
按“测试步骤2.5所述步骤进行数据测量和处理，按下述步骤输入补偿参数。
l 将“反向间隙”值设为“0”，“螺距补偿类型”设为“2 ”，“补偿点数”设为“6”，“补偿间隔” 设为“100000”，“参考点偏差号” 为“5”
l 将“记录表”中“平均位置偏差↑”的值填入“X轴补偿参数表”的“偏差值[]”内；既
将↑值“1”填入“偏差值（内部脉冲当量） [11]”

图2-8系统轴补偿参数界面及单向补偿后的数据设置

将↑值“3”填入“偏差值（内部脉冲当量） [10]”
将↑值“5”填入“偏差值（内部脉冲当量） [9 ]”
将↑值“2”填入“偏差值（内部脉冲当量） [8 ]”
将↑值“9”填入“偏差值（内部脉冲当量） [2 ]”
将↑值“11”填入“偏差值（内部脉冲当量）[6 ]”
将↓值“2”填入“偏差值（内部脉冲当量） [5 ]”
将↓值“4”填入“偏差值（内部脉冲当量） [4 ]”
将↓值“6”填入“偏差值（内部脉冲当量） [3 ]”
将↓值“8”填入“偏差值（内部脉冲当量） [2 ]”
将↓值“10”填入“偏差值（内部脉冲当量）[1 ]”
将↓值“12”填入“偏差值（内部脉冲当量）[0 ]”
双向补偿后的参数如下图2-9所示。
补偿参数输入完成后，按“Esc”键，界面出现对话框“是否保存修改参数？”，按“Y”键后保存修改后的参数。按“F10”键回到主界面，再按“Alt+X”，退出系统，进入DOS状态，按“N”回车进入系统，偿后的参数数值即开始生效。
双向补偿后，按2.5测试步骤再次进行定位 精度的测量并进行数据处理。 计算出X轴线双向补偿后的定位精度和重复定位精度。

图2-9 双向螺距补偿参数设置