基于球桿儀的立式數(shù)控銑床反向間隙檢測

魏進

摘要：數(shù)控機床的反向間隙的檢測對于提高機床加工精度有著重要意義，本文以凱恩帝K2000MCi立式數(shù)控銑床系統(tǒng)為待檢設(shè)備，應(yīng)用Rennishaw Ballbar20在XY平面進行反向間隙檢測，并對檢測結(jié)果進行分析。實驗表明，利用球桿儀進行檢測，可以快速、高效的得出檢測結(jié)果，指導(dǎo)機床維修人員調(diào)整機械安裝、電氣參數(shù)來減少機床反向間隙，提高機床精度。

Abstract： The detection of the reverse clearance of CNC machine tools is of great significance to improve the machining accuracy of machine tools. In this paper， Kandi k2000mci vertical CNC milling machine system is used as the equipment to be inspected， and rennishaw ballbar20 is applied to detect the reverse clearance in XY plane， and the detection results are analyzed. The experiment shows that the ball bar instrument can quickly and efficiently obtain the test results， guide the machine maintenance personnel to adjust the mechanical installation and electrical parameters to reduce the reverse clearance of the machine tool and improve the accuracy of the machine tool.

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床;球桿儀;反向間隙

Key words： CNC milling machine;ball bar instrument;reverse clearance

0? 引言

數(shù)控機床是現(xiàn)代工業(yè)的“母機”，現(xiàn)代數(shù)控機床性能朝著高轉(zhuǎn)速、高進給及高精度的方向發(fā)展，由于反向間隙的存在，使機床運動過程中實際運動和指令信號之間存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，所以會影響機床的定位精度。另外，反向間隙也影響機床相應(yīng)的快速性。因此，本文將反向間隙的形成進行分析，結(jié)合球桿儀，提出一種對反向間隙補償?shù)臏y量方法。

1? 反向間隙分析

數(shù)控機床的傳動鏈?zhǔn)怯蓤?zhí)行機構(gòu)通過驅(qū)動絲杠螺母帶動工作臺進行運動。數(shù)控機床的反向間隙是數(shù)控機床在裝配和使用過程中磨損機械傳動鏈如滾珠絲杠反向間隙、齒輪副間隙、聯(lián)軸器中鍵聯(lián)接引起的間隙、并且驅(qū)動裝置如步進電機、伺服電機等存在反向死區(qū)，當(dāng)機床的進給方向發(fā)生改變時，由于反向間隙的存在，機床工作臺的運動必然滯后于電機驅(qū)動絲杠的運動。這樣就已經(jīng)嚴(yán)重影響到了機床的位置精度，反映在工件上的位置和形狀誤差，滾珠絲杠的反向間隙誤差是各部件組裝完成之后客觀存在的，因此檢測機床反向間隙對于提高機床的精度非常重要。

2? Rennishaw球桿儀的圓度測試原理

球桿儀是一種通過兩軸聯(lián)動方便、快速檢測機床性能的儀器。它包括中心座、球桿儀、工具杯等，利用磁性原理使中心座吸附在工作臺上，工具杯安裝到適當(dāng)?shù)牡侗厦?，并固定到主軸上面，球桿儀是一種傳感器，它能精確的測量出球桿儀在運動過程中的收縮量。在測量過程中，它的一端吸附在中心座上，一段吸附在工具杯上。通過兩軸聯(lián)動，實現(xiàn)主軸上刀具相對于工作臺上固定的工件在XY、YZ、XZ平面內(nèi)做半圓或整圓運動。球桿儀可以自定義控件測量軌跡，實現(xiàn)在上述三個平面內(nèi)進行圓度測量。假設(shè)我們在XY平面內(nèi)進行圓度測量：設(shè)吸附在工作臺上的工具杯上的磁性精密球為坐標(biāo)系原點，主軸上精密球球心為目標(biāo)坐標(biāo)（x，y），當(dāng)機床運動到目標(biāo)位置時，設(shè)精密球球心的實際位置為（x1，y1），則機床在X方向和Y方向的移動誤差為：

3? 實驗設(shè)備及檢測情況

下面以凱恩帝K2000MCi立式數(shù)控銑床系統(tǒng)和Rennishaw Ballbar20為例介紹數(shù)控機床反向間隙檢測過程。雷尼紹無線球桿儀和上位機采用藍牙通訊，其本體是一個可以進行伸縮的高精度線性位移檢測傳感器，在其兩端均有一個磁性的精密球，用于與磁力座連接，磁力座一端連接吸附在工作臺的工具杯上，一端連接機床的主軸。首先清零凱恩帝數(shù)控系統(tǒng)基本參數(shù)2625-1，2625-2的數(shù)值，使機床進給軸X軸和Y軸的反向向間隙補償值為0um;在檢測XY平面上，機床驅(qū)動球桿儀繞旋轉(zhuǎn)中心做360度旋轉(zhuǎn)，為了保證球桿儀在采集數(shù)據(jù)時獲得恒定速度，通常使采集前后各有180度的越程角，這樣就要求球桿儀沿順時針方向和逆時針分別旋轉(zhuǎn)360度，根據(jù)上述要求，我們設(shè)置Renishaw軟件參數(shù)如表1所示。

我們在編制球桿儀測試程序時，通常采用人工和自動生成程序，Rennishaw軟件提供了自動生成程序的功能，在正式檢測之前，為了保證程序的準(zhǔn)確性，我們必須空運行一周，看機床的運行軌跡是否和我們預(yù)估相符合。下述程序是為測試K2000MCi數(shù)控銑床XY進給軸所編制的測試程序。需要注意的是在機床進入待檢測位置后即機床執(zhí)行程序N90 M00，先啟動數(shù)據(jù)采集按鈕，再按程序運行按鈕。

4? 反向間隙結(jié)果分析

由圖1可以看到，圓弧軌跡在軸線開始處沿圓弧中心換向時存在錯位。

由圖2中的診斷值可知，Y軸的反向間隙誤差值為8.9um，Y軸的反向間隙影響因素占比為16%，X軸的反向間隙誤差值為2.1um，X軸的反向間隙影響因素占比為5%，因此，Y軸的反向間隙過大，無法滿足機床運行精度的要求。通常這是由于數(shù)控機床在驅(qū)動系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中可能存在間隙引起，如滾珠絲杠端部浮、驅(qū)動螺母磨損，或者滾珠絲杠預(yù)緊力過大帶來的過度盈利引起絲杠扭轉(zhuǎn)的影響。因此，我們應(yīng)通過更換磨損部件，或者通過設(shè)置數(shù)控機床誤差補償參數(shù)來消除反向間隙。

5? 結(jié)語

本文應(yīng)用Rennishaw Ballbar20設(shè)備及其軟件可以快速有效的檢測出數(shù)控機床在進給方向的反向間隙誤差，并分析其形成的原因，提出改善措施。雷尼紹球桿儀作為快速檢測的有力工具，可以減少數(shù)控機床維修人員的工作強大，提高工作效率，降低數(shù)控機床的維修成本。

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