淺析數(shù)控車床的反向間隙及其補(bǔ)償
2020-5-25 來源： 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：吳亞蘭，李 慶
摘要：分析了反向間隙產(chǎn)生原因及其影響因素，提出了多種反向間隙的測量和補(bǔ)償方法，并對各種方法進(jìn)行了比較，得出了其使用場合。使得反向間隙補(bǔ)償能大幅減小開環(huán)和半閉環(huán)控制機(jī)床的加工誤差，提高合格率。
關(guān)鍵詞：方向間隙 測量方法 補(bǔ)償方法
１、引言
反向間隙誤差是指機(jī)床在改變運(yùn)動方向后機(jī)床工作臺的運(yùn)動短暫滯后于電機(jī)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工作臺或刀架的實(shí)際運(yùn)動量與理想值不同步而產(chǎn)生的反向偏差。在半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床中，反向間隙將會影響機(jī)床移動過程中的定位和重復(fù)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(chǎn)生較大圓度和直線度誤差，而增加廢品率。
２、產(chǎn)生原因
由電機(jī)驅(qū)動經(jīng)過滾珠絲杠驅(qū)動工作臺的進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)，由于裝配過程中機(jī)械間隙、長期運(yùn)動傳動鏈的磨損以及伺服電機(jī)和伺服馬達(dá)反向死區(qū)的存在，使得當(dāng)機(jī)床從一個(gè)方向運(yùn)動換向?yàn)榱硪粋€(gè)方向時(shí)，執(zhí)行部件的動作與數(shù)控系統(tǒng)的指令不同步，影響機(jī)床運(yùn)動軸的定位和重復(fù)定位精度。最終反映為被加工零件的尺寸和形位誤差。反向間隙是進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠等部件裝配后客觀存在的，屬于不可避免的加工原理誤差，但是可以通過條件控制與誤差補(bǔ)償減小其對加工得影響。
３、影響反向間隙誤差的因素
由于在實(shí)際運(yùn)動過程中滾珠絲杠副的受力是時(shí)刻變化的，因此其影響因素很多。在影響滾珠絲杠反向間隙的眾多因素中，熱變形和應(yīng)力形變對反向間隙的影響最大。熱變形是指滾珠絲杠的主要組成部件如絲杠、螺母等在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的熱源，其熱源會傳遞給機(jī)床其他零部件，使得相應(yīng)零部件產(chǎn)生變形。它將直接影響零件的加工精度。絲杠的應(yīng)力形變是指滾珠絲杠副在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，它會使?jié)L珠絲杠在運(yùn)動過程中產(chǎn)生位移，從而降低機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，容易導(dǎo)致被加工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，一類是用儀表法測量，另一類是通過試切法測量。其中儀表法測量主要用的儀表包括百分表、千分表、激光干涉儀等。其中激光干涉儀和球桿儀屬于高精度儀器，測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高，但價(jià)格昂貴；百分表雖然價(jià)格便宜，但其本身靈敏度低，導(dǎo)致檢測出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差；千分表是較理想的選擇，檢測精度較準(zhǔn)確，價(jià)格也合適，是儀表法檢測反向間隙常用的工具。
ＦＡＮＵＣ ０ｉ－Ｍａｔｅ系統(tǒng)提供參數(shù)設(shè)置，可補(bǔ)償切削和快速進(jìn)給兩種模式下的反向間隙。一般選擇在切削進(jìn)給方式下進(jìn)行測量，以更準(zhǔn)確反應(yīng)加工的實(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表測量Ｘ軸反向間隙為例，具體步驟如下。
（１）將機(jī)床回參考點(diǎn)。
（２）運(yùn) 行 程 序，將 機(jī) 床 移 動 到 一 個(gè) 定 點(diǎn)，如 Ｇ０１Ｘ１００Ｆ１００。
（３）此時(shí)在機(jī)床上裝上千分表測量 Ｘ 軸，壓表后轉(zhuǎn)動表盤將表針調(diào)為０。
（４）運(yùn) 行 程 序，將 機(jī) 床 往 前 繼 續(xù) 移 動，如 Ｇ０１Ｘ２００Ｆ１００。
（５）運(yùn) 行 程 序，將 機(jī) 床 移 回 到 原 來 的 測 量 點(diǎn)，Ｇ０１Ｘ１００Ｆ５０，此時(shí)表針會與機(jī)床接觸，進(jìn)給速度應(yīng)慢些。
（６）此時(shí)觀察千分表讀數(shù)，其顯示數(shù)值即為 Ｘ 軸在１００ｍｍ 內(nèi)的反向間隙。Ｚ方向的反向間隙測量方法和 Ｘ 向類似。注意在首次進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償時(shí)，要將數(shù)控系統(tǒng)中其對應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)值清零（ＦＡＮＵＣ系統(tǒng)中為１８５１號參數(shù)）。
４．２ 試切法測量反向間隙
用表測法測量反向間隙操作簡單方便，但在檢測中沒有包含切削力對反向間隙的影響，其結(jié)果具有一定的局限性。為更真實(shí)準(zhǔn)確的測得反向間隙，可采用試切法。試切法測量反向間隙主要是在模擬精加工的狀態(tài)下進(jìn)行的，其具體步驟如下。
（１）將系統(tǒng)中反向間隙參數(shù)出初始值設(shè)置為 ０（ＦＡＮＵＣ系統(tǒng)中為１８５１號參數(shù)）；
（２）安裝好刀具和工件，加工如圖１（１）所示臺階軸，毛坯直徑為φ２０，工件坐標(biāo)系設(shè)在工件右端面的中心。
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(jìn)行粗、
精加工其具體程序如下：
其精加工走刀路線如圖１（２）所示，可以看 出 在 Ｘ方向上，步驟①和步驟③的反向相反，會引入反向間隙，步驟③和步驟⑤的方向相同，不存在反向間隙。
（４）由于步驟①和步驟③之間引入了反向間隙，而步驟③和步驟⑤之間沒有反向間隙，導(dǎo)致直徑尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致，如果忽略其他因素不計(jì)，其偏差即為 Ｘ方向反向間隙。
（5）同樣，在Ｚ方向上，由于步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間隙，導(dǎo)致Ｚ方向尺寸偏差不一致，如果忽略其他因素不計(jì)，其偏差數(shù)值即為Ｚ向的反向間隙。
（６）為保證測量的準(zhǔn)確性，可進(jìn)行多次測量，取平均值，將所測的平均值輸入到對應(yīng)的參數(shù)中。
５、補(bǔ)償方法
通過上面的步驟測得反向間隙后，可通過反向間隙補(bǔ)償減小其對機(jī)械加工的影響。反向間隙補(bǔ)償可通過軟件和硬件補(bǔ)償兩種方式實(shí)現(xiàn)。
５．１ 硬件補(bǔ)償
硬件補(bǔ)償主要是通過對進(jìn)給系統(tǒng)傳動鏈中的各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行調(diào)整以減小和消除反向間隙，因此又稱為機(jī)械調(diào)整補(bǔ)償法。具體調(diào)整對象和措施為：調(diào)整滾珠絲杠副，提高其固定軸承的連接精度、調(diào)制其鎖緊螺母的鎖緊力調(diào)整反向間隙；調(diào)整絲杠和電機(jī)，主要是對兩者連接的彈性聯(lián)軸器做出調(diào)整，提高其連接精度。硬件補(bǔ)償可以通過機(jī)械調(diào)整消除大部分由于機(jī)械部件之間的相對位移引起的反向間隙。但此種調(diào)整方法要對機(jī)械部件進(jìn)行裝拆操作麻煩，且對調(diào)整者技術(shù)要求較高，一般只有在機(jī)床大修時(shí)才做此調(diào)整。
５．２ 軟件補(bǔ)償
軟件補(bǔ)償法按照是由系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償還是程序補(bǔ)償分為系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法和數(shù)控程序補(bǔ)償法兩種。
５．２．１ 系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法
系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法是將測得的反向間隙值輸入到機(jī)床的系統(tǒng)參數(shù)中進(jìn)行補(bǔ)償（可通過機(jī)床參數(shù)說明書查得具體補(bǔ)償號，ＦＡＮＵＣ系統(tǒng)中為１８５１號參數(shù)）。輸補(bǔ)償值生效后，進(jìn)給系統(tǒng)在換向后會先移動一個(gè)給定的補(bǔ)償值，再走程序 指 定 的 距 離，以 此 來 實(shí) 現(xiàn) 反向間隙補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法操作簡單，不影響 程，但存在一定的誤差。
５．２．２ 數(shù)控程序補(bǔ)償法
數(shù)控程序補(bǔ)償法的基本思想是在編寫數(shù)控程序時(shí)，如果此段存在反向間隙，就先在此方向上移動一小段距離，將反向間隙消除后再進(jìn)行加工，以此來消除反向間隙。數(shù)控程序補(bǔ)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差，因此補(bǔ)償精度高，但同時(shí)提高了工藝制定和編程的難度，對編程人員要求較高，一般用于不具有間隙補(bǔ)償功能的數(shù)控機(jī)床或精度要求特別高的零件加工。數(shù)控程序補(bǔ)償法加工實(shí)例如圖２所示。
圖２ 加工程序補(bǔ)償示意圖
如圖２（１）所示，加工一臺階軸，毛坯直徑為φ２０，坐標(biāo)系設(shè)置在右端面的中心，其具體程序?yàn)椋?/span>
由圖２（２）可以看出，采用此種加工方法時(shí)，在 Ｘ 方向上步驟①和步驟③的反向相反，會引入反向間隙，而步驟③和步驟⑤的方向相同，不存在反向間隙，采用此種加工方法會導(dǎo)致直徑尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致。同樣，在 Ｚ方向上，由于步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間隙。用數(shù)控程序補(bǔ)償法消除反向間隙，即在產(chǎn)生反向間隙的前端增加一個(gè)空走的程序段，改變走刀方向，將反向間隙在空走刀段消除。針對圖 ２（１）的臺階軸，可采用圖２（３）的走刀路線，其具體程序?yàn)椋?/font>
比較圖２（２）和（３）可以看出，圖２（３）增加了一段空行程，步驟②和步驟③，其中步驟②是在 Ｚ方向換向后走了一段空行程，消除 Ｚ向反向間隙；步驟③是在 Ｘ 方向換向后走了一段空行程，消除 Ｘ向反向間隙。
６、結(jié)語
反向間隙是影響零件加工精度的一個(gè)重要因素，必須引起重視，由于調(diào)整后的加工過程中機(jī)械部件的再次磨損，又會產(chǎn)生新的間隙，因此反向間隙需要定期測量并補(bǔ)償，以保證零件的加工精度。另外，在進(jìn)行反向間隙檢測時(shí)為達(dá)到理想的檢測結(jié)果，工作人員應(yīng)遵循 ＧＢ／Ｔ １７１２１．２－２００２的要求。同時(shí)，對外部環(huán)境如溫度、輻射、空氣流動性等也應(yīng)滿足實(shí)際需求。
對于開環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床來說，由于其不能直接檢測機(jī)床的實(shí)際位移量，為進(jìn)一步提高其加工精度，采用反向間隙補(bǔ)償可顯著提高其定位精度和重復(fù)定位精度。實(shí)踐表明，通過機(jī)床的誤差補(bǔ)償可使加工誤差減少６０％～８０％。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床來說，由于其本身具有檢測反饋裝置，可直接進(jìn)行檢測出各項(xiàng)誤差然后進(jìn)行補(bǔ)償，所以采用反向間隙補(bǔ)償效果不明顯，但通過補(bǔ)償可進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。
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