利用宏程序?qū)崿F(xiàn)FANUC反向間隙自動測量與補償*

陳　芳

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電學(xué)院，廣東 深圳　518055)

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利用宏程序?qū)崿F(xiàn)FANUC反向間隙自動測量與補償*

陳芳

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電學(xué)院，廣東 深圳518055)

針對傳統(tǒng)使用百分表手動檢測數(shù)控機床反向間隙過程中人工介入較多，測量效率低等缺點，提出了一種結(jié)合高精度測頭和FANUC數(shù)控系統(tǒng)G31高速跳轉(zhuǎn)信號，利用宏程序?qū)崿F(xiàn)“傻瓜”式一鍵操作進行反向間隙自動測量與自動補償?shù)姆桨?。分析了自動檢測系統(tǒng)的檢測原理，介紹了系統(tǒng)的硬件電氣連接，給出了關(guān)鍵宏程序代碼。最后以Renishaw激光干涉儀為工具，比較了利用該方法自動測量和補償反向間隙前后的機床精度。試驗數(shù)據(jù)證明該自動檢測系統(tǒng)能有效地調(diào)整機床的反向間隙，從而提高機床的定位精度。

宏程序；反向間隙；機床精度檢測

0　引言

反向間隙是指機械傳動鏈換向時，伺服電動機空轉(zhuǎn)而工作臺并未產(chǎn)生實際運動而產(chǎn)生的間隙，又被稱為齒隙、背隙、失動量等[1]。隨著機床使用年限的增加，機床在加工中受到外界負載、熱、振動等因素都會造成機床零件的磨損和變形，造成各傳動部件的間隙增大，從而影響機床的定位精度和重復(fù)定位精度，增加零件的加工誤差。因此，必須定期對機床各坐標(biāo)軸的反向間隙進行及時地檢測與調(diào)整。

目前在經(jīng)濟性數(shù)控機床的反向間隙檢測方法中，普遍采用千分表/百分表進行測量。傳統(tǒng)使用千分表/百分表的測量方法中需要手動移動數(shù)控機床坐標(biāo)軸，肉眼識別千分表/百分表讀數(shù)，手動記錄測量數(shù)據(jù)，人工計算反向間隙補償量，并在數(shù)控系統(tǒng)中手動輸入補償數(shù)據(jù)。整個過程步驟繁瑣，要求測量者能熟練操作數(shù)控機床，并精通系統(tǒng)參數(shù)的修改，對其提出了較高的技術(shù)要求；而且傳統(tǒng)檢測方法中人工介入較多，測量效率低，由此不免帶來人為的讀數(shù)和計算誤差。因此本文旨在探索一種利用宏程序結(jié)合高精度測頭實現(xiàn)機床反向間隙自動測量與補償?shù)姆椒?，通過“傻瓜”式一鍵操作，實現(xiàn)整個過程由測量軟件自動控制完成，避免了不必要的人為誤差，提高反向間隙測量與調(diào)整的效率。

1　檢測原理

本方法采用的反向間隙檢測原理為：在機床所檢軸線的行程范圍內(nèi)，使機床往某一方向移動，經(jīng)過1次換向后，反向移動到某一位置的指令距離和實際距離的差值即為機床的反向間隙。

以立式數(shù)控銑床X軸反向間隙檢測為例，其具體檢測與調(diào)整過程如圖1所示。

圖1　反向間隙形成與測量

(1)首先機床坐標(biāo)軸回參考點。

(2)如圖1a，將測頭安裝在主軸上，標(biāo)準(zhǔn)量塊安裝在工作臺上隨工作臺移動。當(dāng)工作臺從左側(cè)正向右移時，螺母右側(cè)緊貼工作臺，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)量塊碰到測頭的瞬間，利用系統(tǒng)的G31跳轉(zhuǎn)功能使機床暫停，數(shù)控系統(tǒng)自動記下此時的機床坐標(biāo)值X1。

(3)如圖1b，測頭抬起，工作臺在螺母的帶動下繼續(xù)正向移動一段距離。

(4)如圖1c，測頭下降，工作臺螺母換向移動，由于有反向間隙的存在，工作臺有一定的失動，當(dāng)螺母左側(cè)緊貼工作臺后，工作臺反向移動，在測頭觸碰到標(biāo)準(zhǔn)量塊的另一邊時，機床暫停，系統(tǒng)自動記下此時的機床坐標(biāo)值X2。

在反向間隙為0的理想情況下，兩次記下的機床坐標(biāo)值之差應(yīng)該等于標(biāo)準(zhǔn)量塊的長度與測頭探頭直徑之和L0。但由于反向間隙引起的工作臺失動，造成實際兩次機械坐標(biāo)值之間的差值L1往往小于理想差值L0，其中L1與L0的差值即為所測量的反向間隙B，即：

B=L0-L1=

(L+D)-(X2-X1)

(5)測量完成后，機床自動將計算出的反向間隙補償值自動改寫到PRM1851反向間隙補償參數(shù)中。

2　系統(tǒng)設(shè)計

在上述測量方法中需要用到FANUC數(shù)控系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)功能。跳轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)在硬件上需要探頭和控制系統(tǒng)接收脈沖信號的物理連接，軟件上需要控制系統(tǒng)具有G31的跳躍功能，再結(jié)合宏程序編寫相關(guān)的數(shù)據(jù)運算和參數(shù)寫入等代碼就能實現(xiàn)反向間隙自動測量和補償?shù)墓δ堋?/p>

2.1測頭高速跳轉(zhuǎn)信號連接

數(shù)控系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)功能分為普通跳轉(zhuǎn)接口與高速跳轉(zhuǎn)接口兩種[2]。其編程指令的使用方法一樣，都是G31，只是在硬件的接口不一樣。普通跳轉(zhuǎn)接口將探頭的脈沖信號接到X4.7(SKIP)PMC的輸入地址，而高速跳轉(zhuǎn)信號(HDI0)是直接連接到CNC，不經(jīng)過PMC。普通跳轉(zhuǎn)信號輸入的延遲和誤差是0～2ms，而高速跳轉(zhuǎn)信號輸入則能保證誤差在0.004ms以下，可以實現(xiàn)高精度的測量。因此這里采用高速跳轉(zhuǎn)接口。

數(shù)控機床用的三維測頭安裝在機床主軸上并隨主軸移動時，只要測針上的測球與工件表面接觸，使測針產(chǎn)生微小的擺動或移動，將立即導(dǎo)致測頭發(fā)出聲、光等指示信號，并輸出相關(guān)開關(guān)量信號。其中三維測頭輸出的開關(guān)量信號與數(shù)控系統(tǒng)高速跳轉(zhuǎn)信號的連接如圖2所示[2]。

圖2　高速跳轉(zhuǎn)信號連接

2.2G31高速跳轉(zhuǎn)功能

高速跳轉(zhuǎn)信號要與G31指令結(jié)合才能正確使用。像G01一樣，在G31 指令之后指定軸運動，可以指令直線插補[3-4]。G31指令在執(zhí)行這個命令期間，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到外部跳轉(zhuǎn)信號以后，G31馬上停止執(zhí)行，刀具的位置馬上儲存在相應(yīng)的系統(tǒng)變量中，接著開始執(zhí)行下一程序段指令。

圖3為有和沒有外部跳轉(zhuǎn)信號兩種情況下執(zhí)行執(zhí)行G31指令的過程。

圖3　G31跳轉(zhuǎn)功能相關(guān)的運動

當(dāng)跳轉(zhuǎn)信號接通時，其坐標(biāo)值被存儲在用戶宏程序的系統(tǒng)變量#5061～#5068中[5-6]，它們能在用戶宏程序中被使用，如表1所示。利用該功能可以計算反向間隙的大小。

表1　宏變量含義

2.3參數(shù)寫入指令

測量完成后，數(shù)控系統(tǒng)自動將計算出的反向間隙補償值補償?shù)絇RM1851反向間隙補償參數(shù)中，這里需要用到FANUC數(shù)控系統(tǒng)的G10可編程數(shù)據(jù)輸入指令，向控制系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)[7]。注意在某些控制系統(tǒng)中，G10是可選功能，在使用它之前需要激活?？删幊虆?shù)輸入的格式如下：

G10 L50；(參數(shù)輸入模式開始)

N_R_；(參數(shù)輸入：N包含參數(shù)號；R包含指定參數(shù)值，可以是常數(shù)，可以是變量)

……(允許多參數(shù)輸入)

G11；(參數(shù)輸入模式結(jié)束)

3　程序編寫

宏程序編寫是實現(xiàn)整個自動測量與補償功能的關(guān)鍵，其中包括測頭標(biāo)準(zhǔn)量塊的尺寸定義，測量過程中數(shù)控機床機械坐標(biāo)值的記錄，反向間隙的計算以及反向間隙的自動補償?shù)裙δ堋?/p>

3.1宏程序調(diào)用

使用G65非模態(tài)宏程序調(diào)用[8]，可以通過指定自變量將測頭直徑和標(biāo)準(zhǔn)量塊的尺寸傳給宏程序。調(diào)用格式為：

G65 P9010A*B*C*;

P9010為所調(diào)用的宏程序；A，B，C變量[2]分別對應(yīng)于宏程序中的局部變量#1，#2和#3。其中A變量為測頭直徑，B變量為標(biāo)準(zhǔn)量塊X方向?qū)挾?，C變量為標(biāo)準(zhǔn)量塊Y方向?qū)挾?。若只測量X方向的反向間隙時，可以設(shè)置C后面變量值為0，同理，若只測量Y方向的反向間隙時，可以設(shè)置B后面變量值為0。

3.2宏程序清單

以X方向為例，測頭測量移動的路線如圖4所示。

圖4　測頭移動路線

其中關(guān)鍵部分的宏程序代碼如下：

O9010；

#4=20;(粗略靠近量塊預(yù)留距離)

#5=5；(精確靠近量塊預(yù)留距離)

G21；

IF[#2EQ0]THEN GOTO 100；(#2為G65調(diào)用指令中的B變量。如果標(biāo)準(zhǔn)量塊X方向?qū)挾葹?，則跳轉(zhuǎn)到N100程序代碼處測量Y方向的反向間隙。)

G91 G31 Z-100. F200;(如圖4路線1探頭從Z方向向下接近量塊上表面。-100這個距離沒有任何特殊意義，只是為了讓探頭向下碰到量塊后抬刀到合適的高度再移動到標(biāo)準(zhǔn)量塊的兩端。這里和后續(xù)的動作都是用增量模式。)

Z#5;(如圖4路線2，Z方向抬高到合適的高度)

#10=#1/2+#2+#4；(計算-X方向移動距離)

X(-#10) F200；(如圖4路線3，移動到量塊-X方向測)

Z(-2*#5);(如圖4路線4，測頭Z方向下降)

X(#4-#5);(如圖4路線5，測頭X+方向粗略靠近量塊)

G31 X(#5*2) F10;(如圖4路線6，X+方向精確靠近量塊。為了保證測量精度，需要很小的接近速度。)

#100=#5061；(存儲X+方向靠近量塊時的X機械坐標(biāo))

Z2*#5;(如圖4路線7，測頭抬起)

X(#1+#2+#4);(如圖4路線8，測頭X+方向繼續(xù)移動)

Z(-2*#5);(如圖4路線9，測頭下降)

X(#5-#4); (如圖4路線10，測頭反向，X-方向粗略靠近量塊)

G31 X(-#5*2) F10; (如圖4路線11，測頭X-方向精確靠近量塊。為了保證測量精度，需要很小的接近速度)

#101=#5062；(存儲X-方向靠近量塊時的X機械坐標(biāo))

#102=#1+#2-(#101-#100);(計算X軸反向間隙)

Z(2*#5); (如圖4路線12，測頭抬刀)

X(-1/2*#1-#2)；(如圖4路線13，X方向回原位)

G10 L50;(參數(shù)輸入模式開始)

N1851 R(#102*1000)；(設(shè)定反向間隙補償參數(shù)，要進行單位換算)

G11；(參數(shù)輸入模式結(jié)束)

N100 IF[#3EQ0]THEN GOTO 200；

……測量Y軸反向間隙同理，此處省略

……

N200 G28 Z0;

G00 X0 Y0;

M30;

%

4　系統(tǒng)運行與測試

4.1系統(tǒng)運行

選用設(shè)備：華亞YHM600系列立式數(shù)控銑床，配備FANUC 0i-MD系統(tǒng)，采用哈量公司的TP60觸發(fā)式三維測頭，測頭直徑為6.0mm。選用20mm高精度量塊。

運行步驟如下：

(1)安裝好三維測頭，接好高速跳轉(zhuǎn)信號；

(2)首先將反向間隙補償參數(shù)No.1815清零，返回參考點使機床反向間隙生效；

(3)X方向安裝好量塊。手動模式將測頭探針移動到量塊上方大約50mm的中心位置；

(4)在MDI或者自動模式下運行指令G65 P9010 A6.0 B20.0 C0。

4.2測試效果

為了檢驗使用宏程序?qū)崿F(xiàn)反向間隙自動檢測與補償?shù)男Ч?，采用高精度檢驗儀器Renashaw ML10激光干涉儀作為第三方測試手段[9]，分別對該機床在反向間隙補償前和使用宏程序進行反向間隙自動測量和補償之后的機床精度進行了測試和對比。

測試對象：YHM600系列立式數(shù)控銑床，F(xiàn)ANUC 0i-MD系統(tǒng)，X軸的位置精度。X軸行程范圍為600mm，測量位置0～600mm，間距60mm，共11個點。

為了減小系統(tǒng)精度補償?shù)牡母蓴_因素，首先將系統(tǒng)的反向間隙補償值和螺距誤差補償值全部清零并回參考點，然后使用激光干涉儀對調(diào)整前的機床精度進行檢測，使用GB/T 17421.2-2000三合曲線標(biāo)準(zhǔn)[10]進行數(shù)據(jù)分析，由激光干涉儀自帶軟件生成其數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　反向間隙補償之前機床精度分析

在該機床上使用本文所述方法進行反向間隙自動測量與補償后，再次使用激光干涉儀對調(diào)整后的機床進行精度檢測，其數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　反向間隙自動補償之后機床精度分析

由圖5和圖6對比可知，在反向間隙補償之前，該機床的反向差值B為27μm，在使用自動反向間隙檢測與補償之后，機床的反向差值B減小為2μm，可見該機床X軸的反向間隙已經(jīng)成功地被補償。同時機床的綜合定位精度由49μm提高到28μm，較之前有了明顯提高。

5　結(jié)束語

本文探討了使用宏程序和高精度測頭實現(xiàn)數(shù)控機床反向間隙自動檢測以及參數(shù)補償?shù)姆椒?，試驗證明該方法能有效補償機床的反向間隙。使用中應(yīng)注意：影響該方法檢測精度的重要因素是測頭的復(fù)位精度和位置精度，因此為了保證自動測量與補償?shù)男Ч脩粜枰跈z測之前對測頭的精度指標(biāo)進行自檢。

[1] 杜強. 數(shù)控機床反向間隙檢測與補償[J]. 機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量， 2013(8):43-45

[2] FANUC數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中心.FANUC數(shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] S.K.Sinha. FANUC數(shù)控宏程序編程技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[4]畢忠梁. 基于FANUC系統(tǒng)的無線對刀儀實現(xiàn)一鍵自動對刀[J]. 制造技術(shù)與機床，2014(3):96-98.

[5]朱宏偉. 基于 FANUC 用戶宏程序的刀長測量程序設(shè)計[J]. 機床與液壓，2012,40(2):92-94，114.

[6]張亞萍. 數(shù)控機床上測頭系統(tǒng)測量程序的開發(fā)[J].機床與液壓，2010,38(22):119-120,125.

[7]王寶平.淺談FANUC 0iD系統(tǒng)參數(shù)的特殊更改方法[J]. 制造技術(shù)與機床，2014(1):169-172.

[8] 陳芳. 基于步距規(guī)的機床精度自動檢測控制系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 組合機床及自動化加工技術(shù)，2014(6):76-79.

[9] 劉利劍，楊光，岳彥芳,等.在線測量系統(tǒng)中測量宏程序的開發(fā)[J]. 組合機床及自動化加工技術(shù)，2005(5):75-77.

[10] 全國金屬切削機床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T17412.2-2000 機床檢驗通則 第2部分:數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

(編輯趙蓉)

Backlash Automatic Measurement and Compensation Based on FANUC User Macro Program

CHEN Fang

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic, Shenzhen Guangdong 518055, China)

Aimed at the disadvantage of tedious manual intervention and low efficiency in traditional manual backlash measurement with dial indicator, a backlash automatic measurement and compensation scheme is put forward with user macro program based on high precision probe and FANUC G31 instructions. The system principle is analyzed. The electrical connection is introduced. The key macro program codes are elaborated. The precision of a milling machine adjusted by the automatic system is tested by a renishaw laser interferometer. The experiment proves that it can reduce the backlash and improve the position precision of machine tool effectively.

macro program；backlash；CNC precision measurement

1001-2265(2016)04-0101-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.027

2015-05-20

2015-06-19

深圳市南山區(qū)科技計劃項目：數(shù)控機床伺服優(yōu)化與機械精度調(diào)整的研究及應(yīng)用 (KJ02S0210900000155)

陳芳(1977—)，女，湖南桃源縣人，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為數(shù)控機床應(yīng)用，(E-mail)chenfangsz@szpt.edu.cn。

TH166;TG659

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