CN112008490B - 一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，属于机床精度检测技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、选取检测点位；b、采集并保存数据；c、设置伺服跟踪数据采集参数；d、得到坐标轴的运行位置‑时间图；e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2；f、通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙。本发明能够在全闭环位置反馈系统中直接进行反向间隙的检测，准备时间短，检测效率和检测精度高，操作简单，对反向间隙的精度状态评估具有重要的工程应用价值。

Description

一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法

技术领域

本发明涉及到机床精度检测技术领域，尤其涉及一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法。

背景技术

在数控机床进给传动链的各环节中，比如齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等都存在着反向间隙。反向间隙是影响机械加工精度的因素之一，当数控机床工作台在其运动方向上换向时，由于反向间隙的存在会导致伺服电动机空转而工作台无实际移动，称为失动。若反向间隙数值较小，对加工精度影响不大则不需要采取任何措施；若数值较大，则系统的稳定性明显下降，加工精度明显降低，尤其是曲线加工，会影响到尺寸公差和曲线的一致性，此时必须进行反向间隙的消除或是补偿，以提高加工精度，再加上机械传动部件随着设备的投入生产，机械磨损增大，反向间隙对加工精度的影响愈加明显，因此定期对坐标轴进行反向间隙检测是评估设备加工精度的必要手段。

反向间隙的常规检测方法包括采用千分表/百分表配合磁力表座进行检测或采用激光干涉仪两种方法。虽然采用激光干涉仪得到的检测数据更为准确，但其准备时间长，检测效率低，对操作者的技能水平要求较高，使得推广应用受阻，另一方面采用千分表/百分表配合磁力表座的检测方法，只适用于半闭环的位置测量系统，然而针对全闭环位置测量系统的反向间隙检测时，需要对坐标轴的位置反馈系统进行切换，修改参数多、操作复杂、对操作者的技能水平要求高，再加上操作时人为因素的干扰，直接影响检测精度的准确性，因此用该种方法也无法完成快速、精确的反向间隙检测。

公开号为CN 104122840A，公开日为2014年10月29日的中国专利文献公开了一种数控机床标准轨迹测试分析系统，由硬件和软件两部分组成，其特征在于：硬件部分采集数控机床的内置编码器、光栅尺信号和外置位置传感器信号，能够实现同步采集多通道信号；软件部分进行标准轨迹测试分析，完成标准圆轨迹测试、空间圆轨迹测试、菱形轨迹测试以及直线往复测试，获取圆误差图谱、空间圆误差图谱、菱形误差图谱以及传动误差图谱，实现数控机床的运动精度和运动特性检测。

该专利文献公开的数控机床标准轨迹测试分析系统，可以给出机床的标准圆轨迹测试、空间圆轨迹测试、菱形轨迹测试以及直线往复测试方法，轨迹明确、设置操作简单、分析结果有效，实现数控机床的精度检测。但是，需要外置位置传感器，且在全闭环位置反馈系统中无法直接进行反向间隙的检测，检测效率低。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，本发明能够在全闭环位置反馈系统中直接进行反向间隙的检测，准备时间短，无需其他外置工具，无人为因素的干扰，检测效率和检测精度高，操作简单，对反向间隙的精度状态评估具有重要的工程应用价值。

本发明通过下述技术方案实现：

一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；

b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；

c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；

d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；

e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2，各位移量由下式计算：

H1＝|L1-L2| 式1

H2＝|L2-L3| 式2

h1＝|M1-M2| 式3

h2＝|M2-M3| 式4

f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙，计算公式如下：

F1＝|h1-H1| 式5

F2＝|h2-H2| 式6。

所述步骤c中，设置伺服跟踪数据采集参数具体是指变量选择，采用两个采集通道，变量选取编码器的实际位置和光栅尺的实际位置；采集参数设置，包括采集时间、触发方式、触发后延时记录时间和设置触发阈值。

所述步骤f中，正向反向间隙F1由下式计算：

F1＝||M1-M2|-|L1-L2|| 式7。

所述步骤f中，负向反向间隙F2由下式计算：

F2＝||M2-M3|-|L2-L3|| 式8。

本发明的基本原理如下：

通过机床编码器及光栅尺对驱动电机和工作台位置分别进行点动采样，利用西门子系统的伺服跟踪功能，提取编码器及光栅尺实时位置数据，并以光栅尺的位移值作为基准，根据编码器的实际位移量与基准位移量进行差值运算，计算出反向间隙量。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

1、本发明，“a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2；f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙”，相较于现有技术而言，能够在全闭环位置反馈系统中直接进行反向间隙的检测，准备时间短，无需其他外置工具，无人为因素的干扰，检测效率和检测精度高，操作简单，对反向间隙的精度状态评估具有重要的工程应用价值。

2、本发明，通过机床编码器及光栅尺对驱动电机和工作台位置分别进行点动采样，利用西门子系统的伺服跟踪功能，提取编码器及光栅尺实时位置数据，并以光栅尺的位移值作为基准，根据编码器的实际位移量与基准位移量进行差值运算，计算出反向间隙量，不仅检测精度高，而且自动化程度高，极大的提高了检测效率。

3、本发明，采用西门子的伺服跟踪功能对编码器及光栅尺的位置数据进行提取，无需其他外置工具，相比传统的反向间隙检测，能够在全闭环位置反馈系统中直接进行反向间隙的检测，准备时间短，工作效率高。

4、本发明，通过对机械传动系统的研究，反向间隙主要受机械结构的磨损、损坏以及设备运行环境温度的影响而发生变化，采用本发明的检测方法能够达到数控设备反向间隙精度状态快速检测的效果，对设备维护保养有重要的工程应用价值。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：

图1为本发明数控机床伺服闭环控制系统示意图；

图2为本发明编码器和光栅尺的伺服坐标轴运行位置-时间图；

图3为本发明编码器的运动优先于工作台运动位置的检测示意图；

图4为本发明反向间隙检测流程图；

其中：A、B、C、D为伺服坐标轴的运行点位，L1为光栅尺在B点的位置数据，L2为光栅尺在C点的位置数据，L3为光栅尺在D点的位置数据，M1为编码器在B点的位置数据，M2为编码器在C点的位置数据，M3为编码器在D点的位置数据。

具体实施方式

实施例1

参见图1-图4，一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，包括以下步骤：

a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；

b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；

c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；

d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；

e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2，各位移量由下式计算：

H1＝|L1-L2| 式1

H2＝|L2-L3| 式2

h1＝|M1-M2| 式3

h2＝|M2-M3| 式4

f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙，计算公式如下：

F1＝|h1-H1| 式5

F2＝|h2-H2| 式6。

“a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2；f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙”，相较于现有技术而言，能够在全闭环位置反馈系统中直接进行反向间隙的检测，准备时间短，无需其他外置工具，无人为因素的干扰，检测效率和检测精度高，操作简单，对反向间隙的精度状态评估具有重要的工程应用价值。

实施例2

参见图1-图4，一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，包括以下步骤：

a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；

b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；

c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；

d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；

e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2，各位移量由下式计算：

H1＝|L1-L2| 式1

H2＝|L2-L3| 式2

h1＝|M1-M2| 式3

h2＝|M2-M3| 式4

f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙，计算公式如下：

F1＝|h1-H1| 式5

F2＝|h2-H2| 式6。

所述步骤c中，设置伺服跟踪数据采集参数具体是指变量选择，采用两个采集通道，变量选取编码器的实际位置和光栅尺的实际位置；采集参数设置，包括采集时间、触发方式、触发后延时记录时间和设置触发阈值。

通过机床编码器及光栅尺对驱动电机和工作台位置分别进行点动采样，利用西门子系统的伺服跟踪功能，提取编码器及光栅尺实时位置数据，并以光栅尺的位移值作为基准，根据编码器的实际位移量与基准位移量进行差值运算，计算出反向间隙量，不仅检测精度高，而且自动化程度高，极大的提高了检测效率。

实施例3

参见图1-图4，一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，包括以下步骤：

a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；

b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；

c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；

d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；

e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2，各位移量由下式计算：

H1＝|L1-L2| 式1

H2＝|L2-L3| 式2

h1＝|M1-M2| 式3

h2＝|M2-M3| 式4

f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙，计算公式如下：

F1＝|h1-H1| 式5

F2＝|h2-H2| 式6。

所述步骤c中，设置伺服跟踪数据采集参数具体是指变量选择，采用两个采集通道，变量选取编码器的实际位置和光栅尺的实际位置；采集参数设置，包括采集时间、触发方式、触发后延时记录时间和设置触发阈值。

所述步骤f中，正向反向间隙F1由下式计算：

F1＝||M1-M2|-|L1-L2|| 式7。

采用西门子的伺服跟踪功能对编码器及光栅尺的位置数据进行提取，无需其他外置工具，相比传统的反向间隙检测，能够在全闭环位置反馈系统中直接进行反向间隙的检测，准备时间短，工作效率高。

实施例4

参见图1-图4，一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，包括以下步骤：

a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；

b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；

c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；

d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；

e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2，各位移量由下式计算：

H1＝|L1-L2| 式1

H2＝|L2-L3| 式2

h1＝|M1-M2| 式3

h2＝|M2-M3| 式4

f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙，计算公式如下：

F1＝|h1-H1| 式5

F2＝|h2-H2| 式6。

所述步骤c中，设置伺服跟踪数据采集参数具体是指变量选择，采用两个采集通道，变量选取编码器的实际位置和光栅尺的实际位置；采集参数设置，包括采集时间、触发方式、触发后延时记录时间和设置触发阈值。

所述步骤f中，正向反向间隙F1由下式计算：

F1＝||M1-M2|-|L1-L2|| 式7。

所述步骤f中，负向反向间隙F2由下式计算：

F2＝||M2-M3|-|L2-L3|| 式8。

通过对机械传动系统的研究，反向间隙主要受机械结构的磨损、损坏以及设备运行环境温度的影响而发生变化，采用本发明的检测方法能够达到数控设备反向间隙精度状态快速检测的效果，对设备维护保养有重要的工程应用价值。

Claims (1)

1.一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、选取检测点位，坐标轴以速度v匀速正向进给到达A点，并在A点暂停S秒，随即以相同运动参数向正向移动至B点，并在B点暂停S秒,接着以相同运动参数向负向移动至C点，并在C点暂停S秒,最后以相同运动参数向正向移动至D点，并在D点暂停S秒，结束坐标轴的运动；

b、在步骤a中，坐标轴在到达A点暂停时，启动西门子伺服跟踪功能，对编码器及光栅尺的实际位置进行采集并保存数据；

c、在步骤b中，启动西门子伺服跟踪功能前，完成设置伺服跟踪数据采集参数；

d、通过步骤a与步骤b获取光栅尺在B、C、D点对应的位置数据L1、L2、L3；编码器在B、C、D对应的位置数据M1、M2、M3，得到坐标轴的运行位置-时间图；

e、通过步骤d的位置数据，得到光栅尺从B点运动到C点的位移量H1,从C点到D点的位移量H2；编码器从B点运动到C点的位移量h1,从C点到D点的位移量h2，各位移量由下式计算：

H1＝|L1-L2| 式1

H2＝|L2-L3| 式2

h1＝|M1-M2| 式3

h2＝|M2-M3| 式4

f、通过步骤e分别得到光栅尺与编码器正向移动的位移量和负向移动的位移量，通过计算编码器与光栅尺对应位置的位移量差值的绝对值表征反向间隙，F1为正向反向间隙，F2为负向反向间隙，计算公式如下：

F1＝|h1-H1| 式5

F2＝|h2-H2| 式6；

所述步骤c中，设置伺服跟踪数据采集参数具体是指变量选择，采用两个采集通道，变量选取编码器的实际位置和光栅尺的实际位置；采集参数设置，包括采集时间、触发方式、触发后延时记录时间和设置触发阈值。

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