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淺析數（shù）控車床的反（fǎn）向間隙及其補償

2020-5-25 來源：安徽機電職業技術學院作者：吳亞（yà）蘭（lán），李慶

摘要：分析了反向間隙產生原因及其影響因素，提出了多種反向間隙的測量和（hé）補償方法，並對各種方法進（jìn）行了比較，得出了其使用場合。使得反向間隙補償能大幅減小（xiǎo）開環和（hé）半閉環控製機床的加工誤差，提高合格率。

關鍵詞：方向間隙測量方法補（bǔ）償方法

１、引言

反向間隙誤（wù）差是指機床（chuáng）在改變運動方向後機床工作台的運動短暫滯（zhì）後於電（diàn）機旋轉，導致工（gōng）作台（tái）或刀架的實際運動量與（yǔ）理想值不同步而產生的反向偏差。在半閉環控製數控機床中，反向間隙將會（huì）影響機床移動過程中的定位和重複定位精度（dù），從而影響被加工（gōng）零件的精度（dù）。如果反向間隙過大，加工（gōng）出的零件會產生較大圓度（dù）和（hé）直線度誤差，而增加廢品率。

２、產生原因

由電機驅動經過滾珠絲杠驅動工作台的進給（gěi）係統時，由於裝配過（guò）程中機械（xiè）間隙、長期（qī）運動傳動鏈的磨損以及（jí）伺服電機和（hé）伺服馬達反向死區的存在，使得當機床從一個方（fāng）向運動換向為（wéi）另一個方向時，執行部件的動作與數控係統的指令不同步，影響機床運動軸的（de）定位和重複定位精（jīng）度。最終反映為被加工（gōng）零件的尺寸和形（xíng）位誤差。反向間（jiān）隙是進給係統滾珠絲杠等部件裝配後客觀存在的，屬於不（bú）可避免的加工原理誤差，但是可以通過條件控（kòng）製與誤差補償（cháng）減小其對加工得影響。

３、影響反向間隙誤差的因素

由於在實際運動過程中滾珠絲杠副的受（shòu）力是（shì）時刻變化的，因此其影響因素很多。在（zài）影響滾珠絲（sī）杠反向間隙的眾（zhòng）多因素中，熱變形和應力形變對反向間隙（xì）的影響最大（dà）。熱變（biàn）形是指滾珠絲杠（gàng）的主要組成部件如絲杠、螺母等在（zài）運動過程（chéng）中產生的熱源，其熱（rè）源會傳遞給機（jī）床其他零部件（jiàn），使得相應零部（bù）件產生變形（xíng）。它將直接影響零件的加工（gōng）精度。絲杠的應力形變是指滾珠絲杠副在運（yùn）動過程中產生的應力集中，它會使（shǐ）滾珠絲杠在運動過程（chéng）中產生位移，從而降低機（jī）床的定位精（jīng）度（dù）和重（chóng）複定（dìng）位精度，容易（yì）導致被加工零件的形位（wèi）誤差過（guò）大。

４、檢測方法

反向（xiàng）間隙誤差的測量方法主要有兩大類，一類是用儀表法測量，另一類是通過試切法測量。其中儀（yí）表法測量主要（yào）用的儀表包括百分表、千分表、激光幹涉儀等。其中激光幹涉儀和球杆儀屬於高精度儀器，測量數據精準度高，但價格昂貴（guì）；百（bǎi）分表雖然價（jià）格便宜，但其本身靈敏度低，導（dǎo）致檢（jiǎn）測出的數據準確（què）性差；千分表是較理想的選擇，檢測精度較準確，價格也合適，是儀表法檢測反向間隙常用的工具。

ＦＡＮＵＣ　０ｉ－Ｍａｔｅ係統提供參數設置，可（kě）補償切削（xuē）和快速進給兩種模式下的反向間隙。一般選擇在切削進給方式下進行測量，以（yǐ）更準確反應加工的實際情況。

４．１儀表法測量反向間隙以在切削（xuē）模（mó）式下用（yòng）千分（fèn）表測量Ｘ軸反向間隙為例，具體步驟如下。

（１）將機床回參考點。

（２）運行程序，將機床移動到一個定點，如Ｇ０１Ｘ１００Ｆ１００。

（３）此（cǐ）時在機床上裝上千分（fèn）表測量Ｘ軸，壓表後轉動表盤將表（biǎo）針調為０。

（４）運行程序，將機床往前繼續移動，如Ｇ０１Ｘ２００Ｆ１００。

（５）運行程序，將機床移回到原來的測量點，Ｇ０１Ｘ１００Ｆ５０，此時表針會與機床接（jiē）觸，進給速度應（yīng）慢些。

（６）此時觀察千分表讀數，其顯示（shì）數（shù）值即為Ｘ軸在１００ｍｍ內的反向間隙。Ｚ方向的反向間隙測量方法和Ｘ向（xiàng）類似。注（zhù）意（yì）在首次進行反向間隙補償時，要將數（shù）控係統中其對應的補償參（cān）數值清零（ＦＡＮＵＣ係統中為１８５１號參數）。

４．２　試切法測量反向間隙

用（yòng）表測法測量反（fǎn）向間隙操作簡單方便，但在檢測中沒有包含切削（xuē）力對反向間隙的影響，其結果具有一定的局限性。為更真實準確的測得反向（xiàng）間隙，可采用試切法（fǎ）。試切法測量反向（xiàng）間隙主要是在模擬精加工的狀態下進行的，其具體步驟如下。

（１）將係統中反向間隙參（cān）數出（chū）初始值設（shè）置為０（ＦＡＮＵＣ係統（tǒng）中為１８５１號參數）；

（２）安裝好刀具和工件，加工如圖１（１）所示台階軸，毛坯直徑為φ２０，工件坐標係設在工件右端麵的中心。

圖１　試切法（fǎ）測量反向間隙

（３）用Ｇ７１和Ｇ７０配合，對該軸的（de）外輪廓（kuò）進行粗、

精加工其具體（tǐ）程序如下：

其精加工走（zǒu）刀路線如圖１（２）所示，可以看出在Ｘ方向上，步驟①和步驟③的（de）反向相反，會引入反向間隙，步驟③和（hé）步驟⑤的方（fāng）向相同，不存在反向間隙。

（４）由於步驟①和（hé）步驟③之間引入了反向間隙，而步驟③和（hé）步驟（zhòu）⑤之間（jiān）沒有反向間（jiān）隙，導致直徑尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致，如（rú）果忽略其他因素（sù）不計（jì），其偏差即為Ｘ方向反向間隙。

（5）同樣，在Ｚ方向上，由於步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間（jiān）隙，導致Ｚ方向尺寸偏差不一致，如果忽（hū）略其他因素不計，其偏差數值即為Ｚ向的反向間隙。

（６）為保證測量的準確性，可進行多次測量（liàng），取（qǔ）平均值，將所測的平（píng）均值輸入到對應的參數中。

５、補償方法

通過上麵的步驟測得反向間隙後（hòu），可通過反向（xiàng）間隙補償減小其對機械加工的影（yǐng）響。反向間隙補償可通過軟件和（hé）硬件補償兩種（zhǒng）方式實現。

５．１　硬件補償

硬件補償主（zhǔ）要是通過對進給係統傳動鏈中的各個機（jī）械部件進行調整以減小和（hé）消除反向間隙，因此又稱為機械調整補償法。具（jù）體調整對象和措施為：調整滾珠（zhū）絲杠副，提高其固定軸承的連接精（jīng）度、調製其（qí）鎖緊螺母的鎖緊力調整反向間（jiān）隙；調整絲杠和電機，主要是對（duì）兩者連接的彈性聯軸器（qì）做出調整，提高其連接精度。硬件補償可以通過機械調整消除大部（bù）分由於機械部件之間的相對位移引起的反向（xiàng）間隙。但此種調整方法要對機（jī）械部件進行裝（zhuāng）拆操作麻煩，且對調整者技（jì）術要求較高，一般隻有在（zài）機床大修時才做此調（diào）整。

５．２　軟件補償

軟件補償法按照是由係（xì）統參數補償還是（shì）程序補償分為係統參數補償法和數控程序（xù）補償法（fǎ）兩種。

５．２．１　係統參數補償法

係統參數補償法（fǎ）是將測得（dé）的反向間（jiān）隙值輸入到機床的係統參數中進行補（bǔ）償（可通（tōng）過機床參數說明書查得具體補償號，ＦＡＮＵＣ係統中為１８５１號參數（shù））。輸補償（cháng）值生效後，進給係統在換向後會先移動一個給定的補償值，再走（zǒu）程序指定的距離，以此來實現反向間（jiān）隙補償。這種補償方法操作簡單，不影響程，但存在一定的誤差。

５．２．２　數控（kòng）程序（xù）補償法

數控程序補（bǔ）償法的基本思想是在編寫數控程序時（shí），如果此段存在反向間隙，就先在此方（fāng）向上移動一小段距離，將反向間（jiān）隙消除後再進行（háng）加工，以此來消除反（fǎn）向間隙。數控程序補償法避免了表測法和試切法測量反向間隙的人為和測量造成的誤（wù）差，因此補償精度高，但同時提高了工藝製定和編程的難度（dù），對編程人員要求（qiú）較高，一般用於不具有間隙補償功能的數控機床或精度要求特別高的零件加工。數控程序補償法加工實例如圖２所示。

圖２加工程（chéng）序（xù）補（bǔ）償示意圖

如圖２（１）所示，加工一台階（jiē）軸，毛坯直徑為φ２０，坐標係設置在右端麵的中心（xīn），其（qí）具體程序為：

由圖２（２）可以看（kàn）出，采用此種加工方法時，在Ｘ方向上步驟①和步驟③的反向相反，會（huì）引入反向間隙，而步驟③和步驟⑤的方向相同（tóng），不存在反（fǎn）向間隙，采用此種加工（gōng）方（fāng）法會導致直（zhí）徑尺（chǐ）寸φ１２和φ１６的（de）尺寸偏差不一致。同樣，在Ｚ方向上，由於步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間隙。用數控程序補（bǔ）償法消除反向間隙，即在（zài）產生（shēng）反向間（jiān）隙的前端增加一個（gè）空走的程序段，改變走（zǒu）刀方向，將反向間隙在空走刀段消除。針對圖２（１）的台（tái）階軸（zhóu），可采（cǎi）用（yòng）圖２（３）的走刀路線，其（qí）具體程序為：

比較圖２（２）和（３）可以看出，圖２（３）增加了一段（duàn）空行程（chéng），步驟（zhòu）②和步驟③，其中步驟②是在Ｚ方向換（huàn）向後走了一段空行程，消除Ｚ向反向間（jiān）隙；步驟③是在Ｘ方向換向（xiàng）後走了一段空行程，消除Ｘ向反向間隙。

６、結語

反向間隙是影響零件加工精度的一個重要因素，必須引起重視，由於調整後的加工過程中機（jī）械部件的再次磨損（sǔn），又會產（chǎn）生新的間（jiān）隙（xì），因此反向間隙需要定期測量並補償，以保證零件（jiàn）的加工精度。另外，在進行反向間隙檢測時為達到理想的檢測結果，工作（zuò）人員應遵循ＧＢ／Ｔ　１７１２１．２－２００２的要求。同時，對外部環境如溫度、輻射、空氣流動性等也應滿足實際需求。

對（duì）於開（kāi）環和半閉環控製係統的數控機床來說，由於（yú）其（qí）不能直接檢測機床的實際位移量，為進一步提高其加工精度，采用反向間隙補償可顯著提高其（qí）定位（wèi）精度和重複定位精度。實踐表明，通過機床的誤差補（bǔ）償可使加工誤差減少６０％～８０％。對於閉環控製係統（tǒng）的數控機床來說，由於（yú）其本身具有檢測反饋裝置，可直接進行檢測出各項誤差然（rán）後進（jìn）行補償（cháng），所以采用反向間隙補償效果（guǒ）不明顯，但通過補償可進一步提高控製係統的（de）動態特性。

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