數控機床反向間隙的測量與補償

引言

隨著(zhù)機械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，機床行業(yè)也已從過(guò)去的傳統機床向數控機床這一換代產(chǎn)品過(guò)渡并得到迅速發(fā)展。數控機床的普及率逐年上升，主要原因在于數控技術(shù)的優(yōu)越性。數控技術(shù)是適用航空、造船、寧宙飛行、武器生產(chǎn)等國防工業(yè)的生產(chǎn)而發(fā)展起來(lái)的，它特別適用于加工精度高、幾何形狀復雜、尺寸繁多、改型頻繁的中小批量的機械零件生產(chǎn)。在國外從四十年代末期開(kāi)始研究，隨著(zhù)晶體管集成電路及計算技術(shù)的發(fā)展，于五十年代末六十年代初期開(kāi)始用于生產(chǎn)，并且愈來(lái)愈多地得到推廣和應用。就我國目前制造業(yè)的技術(shù)水平及經(jīng)濟發(fā)展狀況而論，經(jīng)濟型數控機床是比較適合我國企業(yè)及相關(guān)行業(yè)使用，當前此類(lèi)機床的占有率較高，多數屬于開(kāi)環(huán)或半閉環(huán)控制系統，其加工精度很大程度受機床的機械精度影響，因而解決好由于機械間隙帶來(lái)的加工誤差問(wèn)題，是保證加工質(zhì)量的重要環(huán)節。

數控機床間隙誤差分析

間隙誤差

數控機床機械間隙誤差是指從機床運動(dòng)鏈的首端至執行件全程由于機械間隙而引起的綜合誤差，如圖1所示。機床的進(jìn)給鏈，其誤差來(lái)源于電機軸與齒軸由于鍵聯(lián)引起的間隙、齒輪副間隙、齒輪與絲杠間由鍵聯(lián)接引起的間隙、聯(lián)軸器中鍵聯(lián)接引起的間隙、絲杠螺母間隙等。機床反向間隙誤差是指由于機床傳動(dòng)鏈中機械間隙的存在，機床執行件在運動(dòng)過(guò)程中，從正向運動(dòng)變?yōu)榉聪蜻\動(dòng)時(shí)，執行件的運動(dòng)量與理論值(編程值)存在誤差，最后反映為疊加至工件上的加工精度的誤差。當數控機床工作臺在其運動(dòng)方向上換向時(shí)，由于反向間隙的存在會(huì )導致伺服電機空轉而工作臺無(wú)實(shí)際移動(dòng)，此稱(chēng)之為失動(dòng)。如在g01切削運動(dòng)時(shí)，反向偏差會(huì )影響插補運動(dòng)的精度，若偏差過(guò)大就會(huì )造成“圓不夠圓，方不夠方” 的情形；而在goo快速定位運動(dòng)中，反向偏差影響機床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時(shí)各孔間的位置精度降低。這樣的反向間隙若數值較小，對加工精度影響不大則不需要采取任何措施；若數值較大，則系統的穩定性明顯下降，加工精度明顯降低, 尤其是曲線(xiàn)加工，會(huì )影響到尺寸公差和曲線(xiàn)的一致性，此時(shí)必須進(jìn)行反向間隙的測定和補償。特別是采用半閉環(huán)控制的數控機床，反向間隙會(huì )影響到定位精度和重復定位精度，這就需要我們平時(shí)在使用數控機床時(shí)，重視和研究反向間隙的產(chǎn)生因素、影響以及補償功能等，在學(xué)習和實(shí)踐中認真總結發(fā)現反向間隙自動(dòng)補償過(guò)程中一些規律性的誤差，采取恰當加工措施，提高零件的加工精度。


圖1 反向間隙的形成原理

圖2 反向間隙測量界面

間隙誤差的測量

為了很好的研究反向間隙誤差對于加工的影響，我們借助一個(gè)小型的三維坐標教學(xué)與實(shí)訓平臺。這個(gè)平臺集成有多軸運動(dòng)控制器、電機及其驅動(dòng)、電控箱、運動(dòng)平臺等部件。機械裝置是一個(gè)采用滾珠絲杠傳動(dòng)的模塊化十字工作平臺，用與實(shí)現目標軌跡和動(dòng)作。執行裝置采用了步進(jìn)電機，控制裝置由pc機、基于dsp閉環(huán)運動(dòng)控制卡和相應的驅動(dòng)器等組成。運動(dòng)控制卡接受pc機發(fā)出的位置和軌跡指令，進(jìn)行規劃處理，轉化成伺服驅動(dòng)可以接受的指令格式，發(fā)給伺服驅動(dòng)器，由伺服驅動(dòng)器進(jìn)行處理和放大，輸出給執行裝置。

選取其中的x軸，打開(kāi)其中關(guān)于測量反向間隙的控制軟件（如圖2所示），開(kāi)始測量該軸平臺在運動(dòng)過(guò)程中的反向間隙誤差。

（1）通過(guò)手動(dòng)調整使平臺置于合適的位置，一般靠近平臺的副段，并設置為工件原點(diǎn)。

（2）在運動(dòng)距離輸入框中輸入需要測試的運動(dòng)距離，再在反向間隙輸入框中輸入0，不進(jìn)行間隙補償。

（3）按下正向點(diǎn)動(dòng)按鈕，讓絲杠朝正方向運動(dòng)一小段距離（大約10mm），然后點(diǎn)停止運動(dòng)。

（4）按下測試按鈕，系統會(huì )自動(dòng)根據輸入的測試距離進(jìn)行測試，最后顯示測試結果。

（5）重復以上動(dòng)作，多次測量反向間隙。得到x軸正方向運動(dòng)的反向間隙值。

（6）用以上的方法，按下反向點(diǎn)動(dòng)按鈕，測試x軸反方向運動(dòng)的反向間隙，測量結果如表1所示。

（7）算出兩組數據的平均值作分別為：x軸正方向運動(dòng)的反向間隙為-0.482，x軸反方向運動(dòng)的反向間隙為0.480。