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淺析數控車床的反向間隙及其補償

2020-5-25 來源：安徽機電職（zhí）業技術（shù）學（xué）院作者：吳亞蘭，李慶（qìng）

摘要：分（fèn）析了反向間隙產生原因（yīn）及其影響因素，提出了多種反向間隙的測量（liàng）和補償方法，並對（duì）各（gè）種方法進行了比較，得出了（le）其使用場合。使（shǐ）得反向間隙補償能大幅減小開環和半閉環（huán）控製機床的加工誤差，提高合（hé）格率。

關鍵（jiàn）詞：方向間隙測量方法（fǎ）補償方法

１、引言

反向間隙誤差是指機床在改變（biàn）運動方向後機床工作台的運（yùn）動短暫（zàn）滯（zhì）後於（yú）電機旋轉，導致工作台或刀架（jià）的實際運動量與理想值不同步而產生的反向偏（piān）差。在半閉環（huán）控製數控機床中，反向間隙將會影（yǐng）響機（jī）床移動過程中的定位和重複定位精度，從而影響被加工零件的精度。如果反向間隙過大，加工出的零件會產生較（jiào）大圓度和直線度誤差，而增加廢品率。

２、產生（shēng）原因

由電機（jī）驅動經過滾珠絲杠驅動工作台的進給係統時，由於裝配過程（chéng）中機械間隙、長期（qī）運動傳（chuán）動鏈的磨損以及伺服電機和伺服馬（mǎ）達反向（xiàng）死（sǐ）區的存在，使得當機床從一個方向運動換向為（wéi）另一個方向時，執行部件的（de）動作與數（shù）控係統（tǒng）的指令（lìng）不同步，影響機床運動軸的（de）定位和重複定位精度。最終反（fǎn）映為被加工零件的尺寸和形位誤差。反向間隙是進給係統（tǒng）滾珠絲杠等部件裝配（pèi）後（hòu）客觀存在的，屬於不可避免（miǎn）的加工原理誤差，但（dàn）是可以通過條件控製（zhì）與誤差補償減小其對加工得影響。

３、影響反向（xiàng）間隙誤差的因素

由於在實際（jì）運動過程中滾珠絲杠副的受力是時刻變化的，因此其影響因素很多。在（zài）影響滾珠（zhū）絲杠反（fǎn）向間隙的眾多（duō）因素中，熱變形和應力形變對反（fǎn）向間隙（xì）的影響最（zuì）大。熱（rè）變形是指滾珠絲杠的主要組成部件如（rú）絲杠、螺母等在運動過程中產生的熱源，其熱源會傳（chuán）遞給機床其他零部（bù）件，使得相應零部件產生變（biàn）形。它將直接影響零件的加工精度。絲杠的應力形變是指滾珠絲杠副在運動過（guò）程中產生的應（yīng）力集（jí）中，它會使滾珠絲杠在運（yùn）動過程中產生位移，從而降低機床的（de）定位精度和重複定（dìng）位精度，容易導致被加工（gōng）零件的形位誤差過大。

４、檢測方法

反向間隙誤差的測量方法主要有兩大類，一（yī）類是用儀表法測量，另一類是通（tōng）過試切法測量。其中儀表法測量主要用（yòng）的儀表包括百分表、千分表、激光幹涉儀等。其中（zhōng）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（dàn）價（jià）格昂貴；百分表雖然價格便宜，但其本身靈敏度低，導（dǎo）致檢測出的數據準確性差；千分表是較理想的選擇，檢測精度較準（zhǔn）確，價格也合適，是儀表法檢測反向間（jiān）隙常用的工具（jù）。

ＦＡＮＵＣ　０ｉ－Ｍａｔｅ係統提供參數設置，可補償切削和快速進（jìn）給兩種模式下的反向（xiàng）間隙。一般選擇在切削進（jìn）給方式下進行測量（liàng），以（yǐ）更準確（què）反應加工（gōng）的實（shí）際情況。

４．１儀表法測量反向間隙以在切削模式下用千分（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（dòng）到一個定點，如Ｇ０１Ｘ１００Ｆ１００。

（３）此時在機床上裝上千分表測量Ｘ軸，壓表後轉動表盤將表針調為０。

（４）運行（háng）程序，將機床往前繼續移動，如Ｇ０１Ｘ２００Ｆ１００。

（５）運行程序（xù），將機床移（yí）回到原來的測量點，Ｇ０１Ｘ１００Ｆ５０，此時表針會與機床接觸，進給速度應慢些。

（６）此時觀察千分表讀數，其顯示數（shù）值即為Ｘ軸在（zài）１００ｍｍ內的反向間隙（xì）。Ｚ方向的反向間隙測量方法和Ｘ向類似。注意在首次進行反向間隙補償時，要將（jiāng）數（shù）控係統中其對應的補償參數（shù）值清零（ＦＡＮＵＣ係統中為１８５１號參數）。

４．２　試切法測量反（fǎn）向間隙

用表測（cè）法測量反向間（jiān）隙操作簡單（dān）方便，但在檢測中沒有包含切（qiē）削力對反向間隙的影響，其結果（guǒ）具有一定的局限（xiàn）性（xìng）。為更真實準確的測得（dé）反向間隙（xì），可采（cǎi）用試切法。試切法測量反（fǎn）向間隙主要是在模擬精加工的狀態下進行的，其具體（tǐ）步驟如下。

（１）將係統中（zhōng）反（fǎn）向間隙參數出初始值設置為０（ＦＡＮＵＣ係統中為１８５１號參數）；

（２）安裝好刀具和（hé）工件，加工如圖１（１）所示台階軸，毛坯（pī）直徑為（wéi）φ２０，工件坐（zuò）標係設在工件右端麵的（de）中心。

圖１　試切法測量反向間隙

（３）用Ｇ７１和Ｇ７０配合，對該軸的外輪廓進行粗、

精加工其具體（tǐ）程序如下（xià）：

其精加工走（zǒu）刀路線如圖１（２）所示，可以看出在Ｘ方向（xiàng）上，步驟①和步驟③的反向相反，會引（yǐn）入反向間隙，步驟（zhòu）③和步驟⑤的方向相（xiàng）同，不存在反向間隙。

（４）由於步驟①和步驟③之（zhī）間引入了反（fǎn）向間隙，而步驟③和（hé）步驟⑤之間（jiān）沒（méi）有反向間隙，導致直徑（jìng）尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致，如果忽略其他因素不計，其偏差即為Ｘ方（fāng）向（xiàng）反向間隙。

（5）同樣，在Ｚ方（fāng）向上，由於步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間隙，導致Ｚ方向尺寸偏差（chà）不一致，如果（guǒ）忽略（luè）其他因素不計，其偏差（chà）數值即為Ｚ向（xiàng）的反向間隙。

（６）為保證測量的準確性，可進行多（duō）次測量，取平均值，將（jiāng）所測的平均值輸入到對應的參數中。

５、補償方法

通（tōng）過上麵的步驟測得反向間隙後（hòu），可通過反（fǎn）向間隙補償減小其對（duì）機械加工的影響。反向間隙補償可通過軟件和硬件補償（cháng）兩種（zhǒng）方式實現。

５．１　硬件補償

硬件（jiàn）補償主要（yào）是通過對進（jìn）給係（xì）統傳動鏈中的各個機械部件進行調整以減小和消除反向間隙，因（yīn）此又稱為機械調整補償法（fǎ）。具體調整（zhěng）對象和措施（shī）為：調整滾珠絲杠（gàng）副，提高其固定軸承的連接精度、調製其鎖緊螺母的（de）鎖緊力調整反（fǎn）向間隙（xì）；調整絲杠和電（diàn）機，主要是對兩者連接（jiē）的（de）彈性聯（lián）軸器做出調整，提（tí）高其連接精度。硬件補償可以（yǐ）通（tōng）過機械調整消除大部分由於機械部件之間（jiān）的相對位移引（yǐn）起的反向間隙。但此種調整（zhěng）方法要對機械部件進行裝拆操作麻煩，且對調整者技術要求較高，一般隻有在機床大修時才做此調整。

５．２　軟（ruǎn）件補償

軟件補（bǔ）償法按照是由係統參數補償還是程序補償分為（wéi）係統參數補償（cháng）法和數控程序補償法兩種。

５．２．１　係統參數補償法

係（xì）統（tǒng）參數補償法是將測得的反向間隙值輸入到機床的係統參數（shù）中進行補償（可通過機床參數說明書（shū）查得具體補償（cháng）號，ＦＡＮＵＣ係統中為（wéi）１８５１號參數（shù））。輸補償值生效（xiào）後，進給係統在（zài）換向後會先移動一個給定的補償（cháng）值，再走程序指定的距離（lí），以此來實現反向間隙（xì）補（bǔ）償。這種補償方法操作簡單，不影響程，但存在（zài）一定的誤差。

５．２．２　數控程序補償法（fǎ）

數控程序補償法的基（jī）本思想（xiǎng）是在編寫數控程序（xù）時（shí），如（rú）果此段存在反向間隙，就先（xiān）在此方向上移動一小（xiǎo）段距離，將反（fǎn）向間隙消除後（hòu）再進行加（jiā）工，以此來消除反向間隙。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（cè）量造成的誤差，因此補償精度高，但同時提（tí）高了工藝製定和編程的難（nán）度，對編程人（rén）員要求較高，一般用於不（bú）具有（yǒu）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（shù）控程序補償法加工實例如圖２所示。

圖２加（jiā）工程序（xù）補償示意圖

如圖２（１）所示，加工一台階軸，毛坯直徑為φ２０，坐標係設（shè）置在右端麵的中心，其具體程序為：

由圖２（２）可以看出，采用此種加工方法時，在Ｘ方向上步驟①和步驟③的反向（xiàng）相反，會引入反向間隙，而步（bù）驟③和（hé）步驟⑤的方向相同，不存在反向間隙，采用此（cǐ）種加（jiā）工方法會導致（zhì）直徑尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致。同（tóng）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。用數控程序補償（cháng）法消除反向間隙（xì），即在產生反向間隙的前端增（zēng）加一個空走的程序段，改變走刀方向，將反向間隙在空走刀段消除。針（zhēn）對圖２（１）的台階軸，可采（cǎi）用圖２（３）的走刀路（lù）線，其（qí）具體程序為：

比較圖２（２）和（３）可（kě）以看出，圖２（３）增加了一段空行程，步驟（zhòu）②和步驟③，其中步驟②是在Ｚ方向換向（xiàng）後走了一段（duàn）空行程，消除Ｚ向反（fǎn）向間隙；步驟（zhòu）③是在Ｘ方向（xiàng）換向（xiàng）後走了一段空行程，消（xiāo）除Ｘ向反向間隙。

６、結語

反（fǎn）向間隙是影響零件（jiàn）加工精度的一個重要（yào）因素，必須引起重視，由於調整後的（de）加工過程中機械部件的再次磨（mó）損，又會產生新（xīn）的間（jiān）隙，因（yīn）此反向間隙需要定期測量並補（bǔ）償，以保證零件的加工精度。另外，在進行反向間（jiān）隙檢測時為達到理（lǐ）想的檢測結果，工作人員應（yīng）遵循ＧＢ／Ｔ　１７１２１．２－２００２的要求。同時，對外部環境如溫度（dù）、輻射、空氣流動性等也應滿足實際需求。

對於開（kāi）環和半閉環控製係統的（de）數控機（jī）床來（lái）說，由於其不能直接檢測（cè）機床的實際位移量，為進一步（bù）提高其加工精度，采用（yòng）反向間隙補（bǔ）償可顯著提高其定位精度和重複定位精度。實踐表明，通（tōng）過（guò）機床（chuáng）的誤差補償（cháng）可使（shǐ）加工誤差減少６０％～８０％。對於閉環控製係統（tǒng）的數控機床來說，由於其本身具有檢測反饋裝置，可直接進行檢測出各項（xiàng）誤差然後進行補償，所以采用反向間隙（xì）補償效果不明顯，但通過補償可進（jìn）一步提高控製係統的動態（tài）特性。

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