发一个用直探头命令G31，测量平面精度和重复定位精度的简单方法

t3aa

MACH里提供了一个G31的直探头命令，可用于对刀、3D扫描等，这个命令探测的精度是0.001mm

运行前的准备工作：

把探测线一头接在金属工作台，找一支尖头铣刀，把探测线另一头接在铣刀上，再铣刀外面包一层绝缘胶布，装入夹头，在MACH里设置好探测头的输入信号引脚号码，如果没有的话，可以临时借用限位开关的信号线

平面度精度的测量：

用G0命令把刀尖移动到需要的位置，运行G31命令，让刀尖向-Z方向运动，刀尖碰到工作台时命令自动停止，并得到XYZ坐标值，结果精度是0.1个丝

重复上面的操作，移动刀尖到工作台的各个位置，可探测出Z方向的高度差，这个就是平面度精度

重复定位精度的测量：

把尖刀换成一根圆刀棒，用G0命令把刀尖移动到T型槽中间的位置，清零坐标点，然后运行G0命令，使圆棒伸入T型槽，运行G31命令，让圆棒向+X方向移动，圆棒碰到工作台时命令自动停止，并得到XYZ坐标值，结果精度是0.1个丝，记下这时的XYZ坐标值

运行一段复杂的3D雕刻代码，运行完后，回原点，圆棒伸入T型槽，按上面的方法重复测量，得到另一个XYZ坐标值，这2个坐标值的距离，就是XY重复定位精度

t3aa

呵呵，发了8个小时，1000多人在线的论坛，只有60个人看，难道大家不关心机器的精度？

t3aa

刚才用这个方法测试了一下我的那台12000圆机器，使用的是维宏系统，没有G31命令，有一个功能相同的G904命令，语法有一点区别，原理是一样的。

我用一根电磨金刚石切割片的3.175连接杆做探头，把对刀块用木片绝缘，夹在精密平口钳上，测得3个方向的重复定位精度，全部达标，很满意

Z重复定位精度(最大值-最小值): 0.008mm = 0.8丝 = 8微米，以下是10次测量的机械坐标
-17.350
-17.350
-17.355
-17.353
-17.358
-17.353
-17.353
-17.353
-17.358
-17.352

Y重复定位精度(最大值-最小值): 0.006mm = 0.6丝 = 6微米，以下是10次测量的机械坐标
137.372
137.369
137.370
137.372
137.375
137.373
137.373
137.375
137.369
137.373

X重复定位精度(最大值-最小值): 0.008mm = 0.8丝 = 8微米，以下是10次测量的机械坐标
156.691
156.684
156.688
156.688
156.683
156.689
156.683
156.685
156.683
156.686


(原文件名:1.jpg)

greeham

机子都没有何谈精度

t3aa

呵呵，没有机子，也要先学习一下基础知识嘛。有了这个简单方法，不仅可以判断精度是否达标，而且也方便大家日后自己调_教，不用送回工厂这么麻烦

MACH的G31语法很简单，举例说明：

要测量Z方向或者Z方向对刀：

先把刀头移动到要测量的位置，把Z轴移到测量面上大概3mm的地方，把Z坐标清零，然后运行下面的命令
G31 Z-4.0 F10

意思是把刀头向下移动到Z=-4的位置，进给速度是每分钟10mm(测量时一定要慢，最高不超过F60)

刀头向下移动的过程中，一旦碰到工作台就立即停止，这时的Z坐标值就是该点的工作台坐标

t3aa

这个方法测到的是机器无负载情况下的精度，是综合了各个零件和装配之后的总精度，阿莫有时间可以测一下鹿原那个的重复定位精度是多少

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这个只是MACH3软件里的理论值，在通常的CNC机器机械精度的制约下，没有实际使用意义的，要是测测0.1mm还凑或，这样都测出0.1丝的精度了，全球的精密量具刃具厂全都好关门了

t3aa

用普通丝杆，确实只能测0.1mm的，但这个是进口无间隙精密滚珠丝杆，不是一个档次的

有没有意义的事情，看你从什么角度，和用什么方法。精密量具刃具也分好多种，谁也不会傻到为了卖一把千分尺，白送一台数控机器吧？最精密的量具，全部是数字化的，其实也是类似的原理，不过测量方法和测量单元不同罢了。

顺便说明一下我的测量结果，之所以有这个误差，是因为步进电机最多只在4细分的步上，具有可靠的机械定位精度，我的机器丝杆是5mm螺距，工作在16细分模式，但是具有实际意义的4细分下最小步距已经是0.00625，所以这个结果有一部分是因为步进电机的误差，纯机械上的重复定位精度其实是更高的，如果换成伺服驱动，精度还可以提高

这个机器的出厂精度标为0.01mm，是指整个系统的精度，也包括了步进电机的影响

t3aa

这种测量方法，主要目的是测量重复定位精度，众所周知的，步进电机是没有积累误差的，正常的机器在运动过程中没有失步，所以当MACH发出同样个数的脉冲到达同样的坐标位置后，如果2次到达一个地方，其中一次没有导电，一次有，就已经很好的表现了重复定位的误差，前提条件是在这个过程中机架没有变形，固定没有松动，这2个条件在无负载的情况下很容易满足

我估计阿莫的机器使用了盘起的丝杆，重复定位精度应该比鹿原的高一些

t3aa

这个方法有一个极限，在步进电机运动过程中会有振动，当这个振动大到影响探头的接触时，探测精度就无法再提高。那么这个极限大概是多少呢？

给大家一个参照，人的手指对振动的感觉非常灵敏，不同频率范围，感觉振动的绝对阈限不同。其中对10－40赫兹的频率范围只要有几个微米的位移，皮肤就可以产生振动觉。随着振动频率的升高，其感受的灵敏度更加升高。100赫兹左右，1 微米的位移就可以产生振动觉。

如果你在对刀过程中只是感觉到一点点运行振动，甚至感觉不到的话，振动幅度在微米级别或以下，所以测出0.5丝或更高，还是可以满足的

fujianhua

学习了，谢谢

heky

t3aa你的机器用起来怎么样？多大的机器？

t3aa

用起来不错，机器不大，130公斤，工作行程X 350mm Y 250mm Z 72mm，主轴上下可调120mm左右，占用一张小桌子那么大的地方，比1米x1米稍微小一点

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2相步进电机的可靠物理精度是达不到4细分的。如果是5mm的丝杆，忽略丝杆的误差，1.8度步进角的两相步进电机能保证的物理精度是0.025mm,0.9度步进角的两相步进电机能保证的物理精度是0.0125mm，和所用驱动器的细分模式无关，找个千分表测测在细分模式下每个脉冲的移动距离就明白了。

不管怎么说，这个测试方法对于精度要求不高的使用情况还是很管用的，而且操作非常方便，还是要顶一下的。

t3aa

你那个是机械分辨率，网上有一篇论文，专门研究了步进电机的细分技术，除了降低振动之外，对提高定位精度的意义，结论是在4细分下有可靠的位置重现能力，高于4细分，机械精度就没有提高了，只是振动和电流方面的改善

我的实际测量也验证了这一点，如果象你说的那样，只有0.025mm，结果会在0.025mm的长度间隔内周期性出现聚集，那就没可能测出这种结果了，呵呵

t3aa

论文又找到了：步进电机细分数对运动平台性能影响的研究

原文地址：http://part.newmaker.com/art_31853.html

文字转载(无图片)

摘 要：步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高工作平台的定位精度。试验表明：步进电机4细分时，电机每步都可以准确定位。

目前自动化设备上的运动平台大量采用同步带传动机构，并由步进电机控制其运动的速度和位置。为了使广大用户能正确地使用步进电机，我们对步进电机细分倍数与平台运动的平稳性、定位精度的关系进行了分析和试验，得出了一些有价值的结论。

1、步进电机细分原理

图1为两相步进电机的工作原理示意图，它有2个绕组A和B。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。

若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照：

这四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一圈。

细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图1（b），（d）所示。若通电方向顺序按照：

这8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与通电顺序（1）相比，它的步距角小了一半。

为了保证电机输出的力矩均匀，A、B相线圈电流的大小也要调整，使A、B相产生的合力在每个位置相同。图2所示为电机四细分时，A、B相线圈电流的比例。A、B相线圈电流大小与转角关系如图3所示。

图2 4细分时电机A、B线圈电流在不同角度的分配比例

从图3中可以看出，步进电机的相电流是按正弦函数（如虚线所示）分布的；细分数越大，相电流越接近正弦曲线。

2. 步进电机细分与电机运动平稳性的关系

图4、5和6分别为两相步进电机2细分、8细分和64细分的实测相电流波形。被测步进电机步距角为1.8度，即无细分时每转200步。试验时，将步进电机转速都设为2 r/s；电机2细分时，电机每转400步，每步周期为1.25ms；电机8细分时，电机每转1600步，每步周期为0.3125ms；电机64细分时，电机每转12800步，每步周期为0.0391ms。

图4 2细分时，步进电机相电流波形（图中横座标每格2.5ms）

从图4、5、6中可看出，步进电机2细分时，电流波形台阶均匀，且电流脉动值很大，其最大值是最大电流的70.7％；步进电机8细分时，电流波形台阶明显，但电流脉动值较小，其最大值是最大电流的19.5％；步进电机64细分时，电流波形较平滑，电流波形已很难分辨分别出台阶的个数，最大电流脉动值仅为最大电流的2.45％。

由电磁感应定理知，步进电机输出力矩和电机线圈的电流成正比，及：

T ＝ KT × i

式中KT为电机力矩常数，它与电机结构、材料、线圈长度等因素有关。

由此公式就很容易理解：步进电机细分数越高，电机运转越平稳；步进电机细分数越小，电机运转时振动越大。因为细分数高时，电流曲线光滑，所以电机输出力矩也就波动小连续、电机运行就平稳；电机细分数小，电机电流脉动就大，其输出力矩脉动就大，因而造成电机较大的振动，该振动并产生噪音乃至其它部件的谐振噪音。

3. 步进电机细分倍数与定位精度的关系

为了定量分析步进电机细分数与运动平台定位精度之间的关系，我们在一个同步带传动的运动平台上，进行了多组试验。

该运动平台由雷赛57HS22步进电机驱动，配雷赛MD556细分驱动器；同步带轮主动轮周长100mm；工作台配有分辨率为0．001mm的光栅尺，作为位置检测装置。

通过雷泰DMC1410运动控制卡控制工作台运动，由雷泰ENC7480计数卡采集光栅尺位置信号，作为分析运动平台定位精度的数据。

图6、7、8、9分别是步进电机驱动器2细分、4细分、8细分、16细分条件下，运动平台单步运动位移量的典型数据。所谓单步运动，即控制器每发一个脉冲后，都延时0.05秒。

表1是对以上4个试验的数据分析表。从表中可看出：2、4细分时，单步位移的误差较小，随着细分数增加，单步位移的误差增大。从图6～图9中也可以清楚地看出：2、4细分时，数据分布较均匀；随着细分数增加，数据分布离散度增大。
表1 试验数据分析

运动平台的位移误差虽然包含了步进电机细分不均匀、同步带传动机构误差、导轨直线度误差、光栅尺测量误差等误差在内，但当步进电机为16细分时，平台的位移误差明显增大。这说明：细分数大于8细分时，步进电机细分的不均匀性有显著提高。

4. 结论

步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高工作平台的定位精度。试验表明：在同步带传动的运动平台上，步进电机4细分时，电机每步都可以准确定位。

建议在运动控制器输出的脉冲频率允许的情况下，尽可能将步进电机驱动器的细分数设大些，以提高运动平台的运动平稳性；但运动平台的定位精度只能按步进电机4细分的脉冲当量计算。

参考文献
[1] 刘宝廷. 步进电动机及其驱动控制系统. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.1(end)

t3aa

看了这篇论文，得出一个结论：加工同一个工件，对刀完成后，在没有加工完前，最好不要拔电源，电源一拔，电机就会失去细分的微步精度，跑到最近的一个整步位置，下次通电，不知会跑到哪里

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呵呵，论文都能信啊，你找个千分表，在4细分模式下用控制器连续发10个脉冲给你的JJ，测一下每个脉冲的移动距离，你就清楚4细分下是不是有可靠的位置重现能力了，你的测量验证不了这个，一定要用千分表测量每个脉冲的移动距离，就会看到真相。

t3aa

这篇论文的可信度还是挺高的，数据摆在那里，用千分表怕是测不准，1微米的距离测量，我还是相信光栅的非接触方式。一般用途，知道这个大概原理也够了，不要指望超过0.01mm，呵呵

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呵呵，光栅进度是高，如果你有光栅也可以用光栅测，你就更明白这篇论文的数据和你的实际测试数据差多少了。
PS：千分表怕是测不准，第一次听说，有机会多去精密机床厂和精密数控机床使用单位看看吧：）

zhongchaogege

0.01???搞笑.....

t3aa

楼上的，0.01是另一种商品机，不是论坛的3800机器，至于是不是搞笑，呵呵，告诉你3个事实：

1 国内全部使用维宏系统的商品雕刻机，它们的自动对刀、回机械零点、断点续雕，都是用G904命令，这是用雕刻机实际加工所能依赖的最高定位精度
2 国内全部使用MACH驱动的DIY雕刻机，它们的自动对刀、回机械零点、断点续雕，如果有的话，绝大多数都是用G31命令，同样的，这也是用雕刻机实际加工所能依赖的最高定位精度
3 论坛机器使用2MM丝杆，电机不细分时已经具有0.01MM步距，4细分时能达到0.0025MM，可以轻松达到0.01MM的测量精度(注意：我是指相对位置精度，不是绝对长度精度)

我没见过使用其他技术的，特别是步进系统，即使用更高级的定位检测，例如双波段激光干涉，也是要由电机驱动来定位，这就从基础上决定了重复定位精度的分辨率

ly800608

好文！

heky

t3aa你的雕刻机牌子是？滚珠丝杠？

t3aa

回楼上：

见我的另一个帖子：看看1.5万圆商品机器的效果：练习雕刻精密电路板
http://www.ouravr.com/bbs/bbs_content_all.jsp?bbs_sn=3386646

我买的时候是1万5的，前几天去商家那里买刀，发现现在只要1万2，经济危机的影响真厉害，更郁闷的是，和商家沟通后知道，其实Z轴高度是可以选另一个更高尺寸的，就是配旋转A轴的那款

t3aa

【13楼】 align

2相步进电机的可靠物理精度是达不到4细分的

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补充说明一点，步进电机的细分技术可以控制2相的电磁力分配，驱动器做得好，可以达到可靠的微步定位

请看下面的实验图示：

在一个水槽上面，用细线连着一个磁铁和浮子，模拟步进电机的定子，水槽一侧有2个电磁铁，模拟步进电机的2相。这样的设计可以免受重力的影响

当只有1侧电磁铁通电时，浮子要么在左，要么在右，相当于电机工作在整步状态

当2侧电磁铁电流控制在一定比例时，两个电磁铁的拉力和线的拉力形成下面的合力关系，浮子可以稳定停留在一个固定的位置

所以说，细分技术对机械精度的提高，不是凭空想象，是有物理基础的，这种微步位置一旦断电就会消失，下次通电时有可能错开一个整步的距离

研究步进电机驱动器，除了要考虑振动、躁声、发热、最高速度、力矩之外，还有一个重要的方面，就是微步的电流控制，这直接影响了机械精度，这方面雷赛是做得不错的，有很多先进技术


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t3aa

今天用这个方法测试了一台塑料机，用普通M6丝杆，XYZ重复定位精度在0.08左右，用8435驱动，8细分

t3aa

谢谢你的信任，呵呵

找第三方测试是可以避免别人说闲话，不过我不合适这个任务，没有相关的认证资格，也没有太大的说服力，只是自己清楚是没有意义的

阿莫有兴趣的话，可以委托一个计量实验室做这个对比测试，顺便也用他们的专业检测设备，对比一下这个简单方法的测量误差有多大

duanyz

请教楼主，我按你的方法用了g31命令，大多数时候都是可行的，可是有时两个电极都碰上了（mach3面板上的led灯亮），雕刻机却不能停下来，直接撞上去，这是什么原因呢？