數(shù)控系統(tǒng)螺距補(bǔ)償試驗(yàn)研究*

代春香，孟浩權(quán)，李三雁

(1.四川大學(xué) 錦城學(xué)院，四川 成都 611731； 2.寧波海天精工股份有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著國(guó)民生活水平的提高，人們對(duì)生產(chǎn)生活用品的品質(zhì)也有著更高的要求，不僅希望私人定制產(chǎn)品，而且對(duì)產(chǎn)品本身的藝術(shù)性、視覺性及其表面質(zhì)量都有著更高的要求。數(shù)控機(jī)床作為金屬產(chǎn)品類加工的主力軍，數(shù)控系統(tǒng)螺距補(bǔ)償?shù)娜≈导胺绞降牟煌?，?duì)零件的加工精度及其表面質(zhì)量具有非常重要的影響。張勇等利用激光干涉儀對(duì)FANUC 系統(tǒng)存在的螺紋誤差，提出了具體的測(cè)量及補(bǔ)償方法[1-2]。曾超等對(duì)數(shù)控銑床定位誤差進(jìn)行了研究，得出了多個(gè)因素對(duì)其定位的影響情況[3]。周樹強(qiáng)對(duì)MITSUBISHI M70V 數(shù)控系統(tǒng)螺距誤差補(bǔ)償功能進(jìn)行了研究，并得出了相應(yīng)的結(jié)論[4]。

為了提升數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工精度及其加工零件表面質(zhì)量，筆者通過對(duì)四種品牌的數(shù)控系統(tǒng)的螺距補(bǔ)償方式進(jìn)行了試驗(yàn)分析，研究發(fā)現(xiàn)FANUC機(jī)床的增量存儲(chǔ)型補(bǔ)償方式可能出現(xiàn)階躍突變，本文提出了密化間距的補(bǔ)償方式，并通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)這種補(bǔ)償方式可以提高數(shù)控機(jī)床整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 數(shù)控系統(tǒng)螺距補(bǔ)償試驗(yàn)及結(jié)果

1.1 FANUC、CMITSUBISHI和SIEMENS螺距補(bǔ)償試驗(yàn)及結(jié)果

為了測(cè)試數(shù)控系統(tǒng)的螺距補(bǔ)償方式是只在補(bǔ)償點(diǎn)突變還是全行程擬合，采用補(bǔ)償間距較大測(cè)量間距較小的方式。根據(jù)相應(yīng)的補(bǔ)償依據(jù)及其原理，對(duì)誤差測(cè)量和對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并通過對(duì)數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)并進(jìn)行分析，從得到的測(cè)量結(jié)果曲線可知是否在補(bǔ)償點(diǎn)階躍突變[5-6]。FANUC螺距補(bǔ)償試驗(yàn)采用0iMF數(shù)控系統(tǒng)，增量式螺距補(bǔ)償方式[6-7]。MITSUBISHI螺距補(bǔ)償試驗(yàn)采用M80數(shù)控系統(tǒng)，并采用增量式補(bǔ)償方式試驗(yàn)[8]。SIEMENS螺距補(bǔ)償試驗(yàn)采用840D數(shù)控系統(tǒng)，絕對(duì)式螺距補(bǔ)償試驗(yàn)[9]。

1.2 HEIDENHAIN螺距補(bǔ)償試驗(yàn)及結(jié)果

采用530數(shù)控系統(tǒng)，絕對(duì)式螺距補(bǔ)償(雙向補(bǔ)償)試驗(yàn)[10]。此次試驗(yàn)Z軸，測(cè)試無光柵無補(bǔ)償?shù)募す舛ㄎ痪?，得到如圖1所示數(shù)據(jù)曲線。

圖1 無光柵無補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算補(bǔ)償值，并補(bǔ)償至數(shù)控系統(tǒng)中重新試驗(yàn)，Z軸正方向和Z軸負(fù)方向的補(bǔ)償數(shù)據(jù)如圖2所示。重新試驗(yàn)激光按100 mm一段采樣間距試驗(yàn)，得到如圖3所示的數(shù)據(jù)圖，圖形顯示補(bǔ)償較好，沒有突變位置。不更改數(shù)控系統(tǒng)中的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，按10 mm一段的采樣間距，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示：沒有在補(bǔ)償點(diǎn)有階躍突變，HEIDENHAIN系統(tǒng)是擬合補(bǔ)償?shù)摹?/p>

圖2 補(bǔ)償數(shù)據(jù)

圖3 采樣間距為100mm的試驗(yàn)結(jié)果

圖4 采樣間距為10mm的試驗(yàn)結(jié)果

1.3 螺距補(bǔ)償試驗(yàn)及結(jié)果小結(jié)

根據(jù)上述四種數(shù)控系統(tǒng)的激光干涉儀定位試驗(yàn)，可知：FANUC的增量存儲(chǔ)型螺距補(bǔ)償方式會(huì)在補(bǔ)償點(diǎn)位置產(chǎn)生階躍突變，其他三種數(shù)控系統(tǒng)則是擬合插補(bǔ)算法，不會(huì)有階躍突變情況。故需要進(jìn)一步確認(rèn)FANUC這種螺距補(bǔ)償方式對(duì)零件加工的影響，并提出合適的解決方法并試驗(yàn)。

2 FANUC螺距補(bǔ)償試驗(yàn)及解決方案

根據(jù)上述試驗(yàn)分析，F(xiàn)ANUC的增量存儲(chǔ)型螺距補(bǔ)償方式在補(bǔ)償點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生階躍突變，且階躍突變的大小與螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)的數(shù)值一致，會(huì)影響到零件加工精度[6]?，F(xiàn)使最大螺距補(bǔ)償參數(shù)取值為8和螺距補(bǔ)償參數(shù)為1分別對(duì)零件進(jìn)行加工，觀察零件表面刀痕情況，并對(duì)零件表面結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[11]。

2.1 最大螺距補(bǔ)償參數(shù)試驗(yàn)及結(jié)果

切削時(shí)采用XZ軸聯(lián)動(dòng)，傾斜角為30°，X軸的螺距補(bǔ)償設(shè)大，補(bǔ)償間距10，在X400～X510，分別設(shè)置為-8；+8；-8；+8；-8；+8；-8；+8；-8；+8；-8；+8，如圖5所示。

圖5 螺距補(bǔ)償及切削聯(lián)運(yùn)設(shè)置

設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為S8000，采用直徑為2 mm的球刀刀具，進(jìn)給速度為F400，步進(jìn)間距為0.02 mm，刀具路徑如圖6所示。

圖6 刀具路徑圖圖7 X軸投影方向上的刀痕

根據(jù)FANUC的階躍突變螺距補(bǔ)償方式，理論上切削得到的斜坡面會(huì)產(chǎn)生在X軸投影方向上，每隔10 mm有個(gè)刀痕，且由于螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)正負(fù)交替，刀痕也應(yīng)是凹坑和凸起相交替的，如圖7所示，X軸向的投影間距為10 mm。

實(shí)際切削得到的表面情況與上述理論的預(yù)期吻合，如圖8所示，可見這種只在補(bǔ)償點(diǎn)位置生效的方式，在實(shí)際切削時(shí)確實(shí)會(huì)出現(xiàn)階躍突變的情況，明顯影響到了零件加工精度和表面質(zhì)量。

圖8 實(shí)物表面刀痕

2.2 調(diào)整螺距補(bǔ)償參數(shù)試驗(yàn)及結(jié)果

再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用同一把刀具和同樣的參數(shù)切削，只修改螺距補(bǔ)償參數(shù)為-1；+1；-1；+1；-1；+1；-1；+1；-1；+1；-1；+1即可，發(fā)現(xiàn)實(shí)物表面加工刀痕條紋及肉眼基本看不出來，切削得到的零件表面如圖9線框內(nèi)所示。

對(duì)比兩次切削結(jié)果可知，當(dāng)螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)的絕對(duì)值設(shè)大，表面產(chǎn)生的紋路會(huì)更加明顯，影響零件質(zhì)量；而當(dāng)螺距補(bǔ)償參數(shù)的數(shù)據(jù)絕對(duì)值不超過1時(shí)，表面紋路基本看不出來。

根據(jù)上述兩種實(shí)際切削的橫向條紋可知，當(dāng)螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)絕對(duì)值設(shè)定較大時(shí)，會(huì)有明顯的紋路；當(dāng)螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)絕對(duì)值設(shè)定不超過1時(shí)，則看不到橫向條紋。故對(duì)于FANUC增量存儲(chǔ)型螺距補(bǔ)償方式，要弱化這種階躍突變情況，只能將螺距補(bǔ)償?shù)拈g距設(shè)定足夠小，從而將螺距補(bǔ)償?shù)脑隽繑?shù)據(jù)分散到足夠多的點(diǎn)位上，使得每個(gè)位置的螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)基本上都是-1；0；+1，如此階躍突變量數(shù)據(jù)最大只有1 μm，對(duì)于加工表面的影響可減到最小。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的螺距補(bǔ)償方式進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)FANUC螺距補(bǔ)償?shù)耐蛔儐栴}，并提出了改善方法。通過對(duì)螺距補(bǔ)償取值的不同以觀察工作表面的刀痕情況，螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)較大時(shí)會(huì)有明顯的紋路，當(dāng)螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)較小時(shí)則看不到橫向條紋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明密化間距的補(bǔ)償方式可以弱化補(bǔ)償?shù)耐蛔?，有提高?shù)控機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定的意義，有提高加工零件精度和表面質(zhì)量的實(shí)用價(jià)值。