數(shù)控機床反向間隙測量與補償

雷楠南，蔣培軍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000 )

數(shù)控機床反向間隙測量與補償

雷楠南，蔣培軍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000 )

對數(shù)控機床反向間隙補償原理進行了系統(tǒng)研究，利用百分表對XK714數(shù)控銑床X坐標軸運動行程進行了左、中、右三段反向間隙測量。通過反向間隙測定及補償消除了機床反向間隙誤差，提高了機床運動精度。

數(shù)控機床；反向間隙；測量；補償

0 引言

在數(shù)控機床的直線軸精度評價中，有一項指標是反向間隙。在數(shù)控機床進給傳動鏈中，電機與絲杠之間常采用聯(lián)軸器直聯(lián)、同步帶傳動、齒輪傳動等方式進行連接傳動[1]。同步帶傳動、齒輪傳動因為輪齒間隙的客觀存在不可避免地會產(chǎn)生反向間隙，即使電機與絲杠直聯(lián)可以消除齒隙，但滾珠絲杠螺母副本身的游隙、絲杠受力變形等因素仍可產(chǎn)生反向間隙。反向間隙的客觀存在導(dǎo)致機床機械傳動鏈換向和工作臺反方向運動時，伺服電機空轉(zhuǎn)而工作臺未產(chǎn)生實際運動，通常稱為失動[2]。由此可見，反向間隙的存在會影響機床的定位精度和重復(fù)定位精度，降低數(shù)控機床加工精度。在半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)接收的實際值來自于電機編碼器，軸在反向運動時編程指令值與實際值之間的差值即為反向間隙；在全閉環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)接收到的實際值來自于光柵尺對機床工作臺運動的檢測值，而機床工作臺為機械傳動鏈的末端運動部件，所以在機械部件裝配誤差不大的情況下，反向間隙基本可以忽略[3]。反向間隙的調(diào)整一般通過以下兩方面來進行：一是機械調(diào)整；二是數(shù)控系統(tǒng)軟件調(diào)整，即測量反向間隙值，輸入數(shù)控系統(tǒng)特定參數(shù)。本文主要研究在機械調(diào)整完成的情況下，測量機床運動反向間隙，通過數(shù)控系統(tǒng)軟件進行間隙補償。

1 反向間隙補償原理以及所涉及的參數(shù)

1.1 反向間隙補償原理

反向間隙補償原理是：無補償?shù)臈l件下，在各坐標軸運動行程內(nèi)將測量行程等分為若干段，測量出各目標位置的平均反向差值-B，并輸入到機床補償參數(shù)1851中，CNC系統(tǒng)在控制坐標軸反向運動時，自動先讓該坐標反向運動-B值，然后再按指令進行運動[3]。

1.2 反向間隙補償參數(shù)的設(shè)置

對于FANUC0iD系統(tǒng)而言，反向間隙補償時所涉及的參數(shù)主要有1800、1851和1852三個。1800參數(shù)共有8位(如表1所示)，在這8位中只有#1、#3、#4位的設(shè)置值有意義，其余位沒有具體含義，通常設(shè)為0。1851和1852兩個參數(shù)用來輸入反向間隙測量值，即軟件補償?shù)拈g隙值。1851參數(shù)中設(shè)置值的含義為：切削進給方式的間隙補償；1852參數(shù)中設(shè)置值的含義為：快速移動間隙補償。

表1 設(shè)置“間隙補償量是否分開”參數(shù)1800

與反向間隙補償密切相關(guān)的是1800參數(shù)的第4位，該位設(shè)置值的具體含義是：切削/快速進給間隙補償量是否分開。當設(shè)置值為“0”時表示不分開，當設(shè)置值為“1”表示分開。1800參數(shù)的第4位設(shè)置值又關(guān)系到1851和1852參數(shù)值，下面以圖1所示XK714數(shù)控銑床上系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為例來說明。圖1中，1800參數(shù)第4位(RBK)設(shè)置值為“0”，表示切削進給方式與快速進給方式的反向間隙補償不分開，換言之，無論機床處于切削進給方式或者快速進給方式，軟件補償時所采用的間隙補償值是一致的，此時，只要將測量的間隙補償量輸入到1851參數(shù)即可，1852參數(shù)值無意義。1800參數(shù)第4位設(shè)置值為“1”時，表示切削進給方式與快速進給方式的反向間隙補償值分開，在這種情況下，當機床的運行方式為切削進給方式時，反向間隙補償按1851參數(shù)中的數(shù)值進行軟件補償；當機床運行方式為快速進給方式時，反向間隙補償則按1852參數(shù)中的數(shù)值進行軟件補償。

表2為間隙量測定后要輸入的相關(guān)參數(shù)，主要有1851和1852兩個。1851號參數(shù)值的設(shè)定范圍為-9 999～+9 999，所設(shè)置的間隙補償量單位為μm，在測量反向間隙時如果測量單位是mm,則必須進行單位轉(zhuǎn)換后再輸入數(shù)值。同時需注意的是，1851對應(yīng)有X、Y、Z三個坐標軸，在補償時一定要選擇所測量的軸，將補償值輸入對應(yīng)坐標軸。參數(shù)1852也是用來進行間隙補償?shù)模?852號參數(shù)是快速移動間隙補償，通常，在實際工作中將這個參數(shù)補償量設(shè)置為與1851一樣。

圖1 間隙補償量設(shè)置參數(shù)1800

反向間隙補償理論上最大是2 mm，如果用百分表測量時，反向間隙太大則表明用軟件補償無意義。由此可見，在進行軟件補償之前，應(yīng)先檢查機械傳動是不是存在有松動的情況，滾珠絲杠是否損壞，滾珠絲杠預(yù)緊調(diào)整是否合適，只有機械調(diào)整好了以后再測量反向間隙，修改參數(shù)進行間隙補償才能提高機床運行精度。

表2 間隙補償量輸入的相關(guān)參數(shù)

2 反向間隙測定的方法

反向間隙測定方法有兩種：手動移動工作臺測量和編程使工作臺自動往返移動測量。本文中通過手動移動工作臺進行測量。

2.1 測量載體及工具

本文以配備FANUC0iMate-MD系統(tǒng)的XK714數(shù)控銑床為載體，以加工過的壓板為測量基準，利用百分表進行反向間隙測量。反向間隙測量時，一般要在所測量坐標軸運動方向選擇左、中、右3段分別進行測量，并且要求在左、中、右3段分別測量7次，然后將這3段測量數(shù)據(jù)分別求平均值，將3個平均值中最大的值作為補償值輸入補償參數(shù)中。

2.2 測量的具體步驟和方法

本文以XK714數(shù)控銑床X坐標軸為例進行反向間隙測量。先移動X坐標軸，從左側(cè)極限位置運動到右側(cè)極限位置，觀察X坐標軸的左段、中段、右段行程位置。X軸劃分為3段測量時，位置不一定要太準確。

首先測量X坐標軸左側(cè)的反向間隙。將機床工作臺移動到X坐標軸的左側(cè)位置，先將機床工作臺上的壓板壓好，然后在磁力表座上安裝好百分表，將磁力表座固定在機床主軸上。因為百分表表座固定在機床主軸上，百分表不能移動，測量反向間隙時工作臺移動的行程不可能太大，所以要測量左段反向間隙，必須將作為測量基準的壓塊安裝在工作臺的右側(cè)位置，如圖2所示。測量時，以支撐壓板的壓塊側(cè)面為測量基準，移動工作臺往返運動進行測量。

具體測量步驟如下：

(1) 調(diào)整測量時所用的百分表。先將機床工作方式調(diào)整為手輪模式，手輪選X100檔 (運動單位0.01 mm)，通過手輪使工作臺沿X坐標軸運動直到壓下百分表。為了保證測量過程中百分表讀數(shù)的準確、可靠，通常使百分表的測量頭與測量基準面可靠接觸后使百分表表針轉(zhuǎn)一圈。做好這一步工作之后，為便于接下來測量過程中對百分表讀數(shù)的方便，將百分表調(diào)零，如圖3所示。

圖2 測量準備工作 圖3 壓下百分表

(2) 系統(tǒng)顯示界面相對坐標值的“歸零”調(diào)整。在測量反向間隙時，通常要使工作臺移動一段距離，然后再反方向移動相同距離。為了可以簡便地觀察所移動的距離數(shù)值，通常采用的辦法是對相對坐標值讀數(shù)進行“歸零”調(diào)整，如圖4所示。圖4(a)為第1步測量步驟完成后系統(tǒng)顯示的坐標值，測量反向間隙時因為要往復(fù)運動一個距離值，例如使X軸正向移動5 mm,再反方向移動5 mm，此時要保證移動的距離時必須在X軸現(xiàn)有的顯示數(shù)值上進行加減，所以很不方便。為了可以簡便地觀察所移動的距離數(shù)值，通常對系統(tǒng)顯示的坐標位置讀數(shù)作“歸零”調(diào)整。通過顯示屏下方的“軟鍵”，將當前的坐標值“歸零”后(如圖4(b)所示)，X軸相對坐標值歸零。相對坐標值歸零后，X坐標值顯示為0，這樣在測量過程中正、反向使工作臺移動一個距離值時，觀察讀數(shù)值就很方便了。

圖4 X軸相對坐標值歸零前后對比

(3) 反向間隙的測量。反向測量時，用手輪工作方式移動工作臺，使工作臺連同測量基準擋塊離開百分表測頭一定距離，然后再反方向移動相同距離壓下百分表，讀取當前百分表讀數(shù)。百分表當前讀數(shù)數(shù)值與之前數(shù)值的差值即為當次測量的反向間隙值。本文測量間距為5 mm，測量7次。先使機床工作臺正方向運動5 mm，再反向運動5 mm，使X坐標值變?yōu)?，對百分表進行讀數(shù)并記錄數(shù)值；第2次，讓機床工作臺運動到10 mm，再反向運動10 mm，使X坐標值變?yōu)?，對百分表進行讀數(shù)并記錄數(shù)值；以此類推，直到7次測量全部完成。

當左段反向間隙測量完成后，即可進行X坐標軸行程的中間段和右段反向間隙測量。測量方法步驟與左側(cè)段相同，但測量時應(yīng)注意調(diào)整作為測量基準的壓塊的位置，才能完成中間段及右段反向間隙的測量。測量得到的X軸的反向間隙記錄見表3。

將表3中測量的數(shù)值“10”輸入到1851號參數(shù)中，再次進行反向間隙測定后發(fā)現(xiàn)，機床反向間隙值很小，用百分表測量時無法精度讀數(shù)。

3 結(jié)束語

通過對一臺數(shù)控機床反向間隙的測量、補償及重新檢測，使機床反向間隙誤差值得到了有效控制，提高了機床的運動精度。在用百分表或者千分表測量反向間隙過程中，一定要注意表桿不要伸出過長、磁力表座一定要固定可靠，否則可能引起讀數(shù)不準而影響到測量結(jié)果的準確性。此外，若是條件允許，可利用雙頻激光干涉儀進行測量，其精度將大大提高。

[1] 杜強.數(shù)控機床反向間隙檢測與補償[J].機械工業(yè)標準化與質(zhì)量，2013(8):43-44.

[2] 張文俊.數(shù)控機床反向間隙的測定和補償[J].機械工程師，2005(10)：51.

[3] 黃文廣.FANUC數(shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試[M].北京：高等教育出版社，2011.

Backlash Measurement and Compensation of CNC Machine Tools

LEI Nan-nan, JIANG Pei-jun

(Sanmenxia Polytechnic, Sanmenxia 472000, China)

This paper does systematic research on the principle of backlash compensation about CNC machine tools. The backlash of an XK714 grinder atXaxis direction is measured by use of dial indicator. After the backlash is compensated, the machine backlash error is eliminated and the accuracy of machine movement is improved.

CNC machine tools; backlash; measurement; compensation

表3 反向間隙記錄

1672- 6413(2015)06- 0123- 02

2015- 03- 23；

2015- 10- 20

雷楠南(1983-)，男，河南靈寶人，講師，工學碩士，研究方向：機械傳動。

TG659

A