数控机床传动反向间隙的测量与补偿

　摘要：传动反向间隙的存在会影响到机床的定位精度和重复定位精度，从而造成零件的加工误差,需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。本文主要阐述经济型数控机床的传动反向间隙的测量和补偿。
　　关键词：传动反向间隙 测量 补偿
　　随着机械制造技术的不断发展，由于数控技术的优越性，数控机床的普及率逐年上升。数控技术特别适用于加工精度高、几何形状复杂、尺寸繁多、改型频繁的中小批量的机械零件生产。就我国目前制造业的技术水平及经济发展状况而论，经济型数控机床是比较适合我国企业及相关行业使用的，因此当前此类机床的占有率较高。但这类数控机床多数属于开环或半闭环伺服系统，这两种控制方式都不能像带有直线位移检测反馈装置的全闭环伺服系统一样对机床的机械传动部分进行有效的补偿。这样，反向间隙的存在就影响到机床的定位精度和重复定位精度，反映到工件上就会造成加工误差。因而解决好由于机械间隙带来的加工误差问题，是保证加工质量的重要环节。
　　一、传动反向间隙的不利影响
　　数控机床机械间隙误差，是指从机床运动链的首端至执行件全程由于机械间隙而引起的综合误差，误差来源于电机轴与齿轴由于键联引起的间隙、齿轮副间隙、齿轮与丝杠间由键联接引起的间隙、联轴器中键联接引起的间隙、丝杠螺母间隙等。机床反向间隙误差，是指由于机床传动链中机械间隙的存在，机床执行件在运动过程中从正向运动变为反向运动时，执行件的运动量与理论值(编程值)存在误差，最后反映为叠加至工件上的加工精度的误差。如在G01切削运动时，反向偏差会影响插补运动的精度，若偏差过大就会造成“圆不够圆，方不够方”的情形；而在G00快速定位运动中，反向偏差影响机床的定位精度，使得钻孔、镗孔等孔加工时各孔间的位置精度降低。这样的反向间隙若数值较小，对加工精度影响不大，则不需要采取任何措施；若数值较大，则系统的稳定性明显下降，加工精度明显降低, 尤其是曲线加工，会影响到尺寸公差和曲线的一致性，此时必须进行反向间隙的测定和补偿。同时，随着设备投入运行时间的越来越长，反向偏差还会随着因磨损造成的运动副间隙的逐渐增大而增加，因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。
　　二、传动反向间隙的测量
　　为了减小传动反向间隙对机床精度的影响，可以采取调整和预紧的方法来减小间隙，但机械传动间隙是不能完全被消除的。为了更好地消除误差，现代数控系统提供了传动反向间隙软补偿方式，以尽可能减小传动反向间隙对零件加工精度的影响，即通过测量获得传动反向间隙值，将此数值存储在数控系统相应的参数中，此后每当数控机床反向运动时，数控系统便会控制伺服电动机多走一段距离，这个距离就等于输入到系统中的传动反向间隙值，从而近似补偿了传动反向间隙误差。
　　1.手动测量
　　下面以测量机床的Z向反向传动间隙为例：
　　（1）手动方式操作机床向Z轴正向移动一个距离。
　　（2）将带有杠杆百分表的表架安装在机床导轨上，表头指向溜板侧面，表针盘面置零(即以此点为基准)。
　　（3）使用点动进给方式或者手轮方式，操作机床向Z轴在同一方向移动一段距离(即与刚才移动方向相同)。
　　（4）然后再向Z轴负方向移动相同的距离。
　　（5）观察停止位置与基准位置之差。分两种情况：一是指针未发生变化,则反向间隙为正值，使用点动进给方式或者手轮方式操作机床向Z轴负方向移动，记录移动距离直至百分表指示值变化，此时反向间隙为车床移动的距离与百分表示值之差；二是百分表指针发生变化，则反向间隙为负值，反向间隙为百分表示值。
　　（6）X向传动反向间隙值的测量与Z向传动反向间隙值的测量相同。
　　（7）为避免单次测量的偶然性误差，在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定(一般为7次)，求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向间隙测量值。需要注意的是，在测量时一定要先移动一段距离，否则不能得到正确的反向偏差值。
　　2.编程测量
　　若采用编程法测量，则能使测量过程变得更便捷、精确。
　　例如在SINUMERIK 802C机床上测量Z轴的反向间隙，可先将百分表安装在机床导轨上，然后运行如下程序进行测量：
　　N10 G91 G01 Z50 F0.5；工作台右移
　　N20 Z-50； 工作台左移
　　N30 G04 F5； 暂停以便观察
　　三、注意事项
　　一是在测量时一定要先移动一段距离，否则不能得到正确的反向偏差值。
　　二是测量直线运动轴的反向间隙时，测量工具通常采用千分表或百分表，若条件允许，可使用双频激光干涉仪进行测量。当采用千分表或百分表进行测量时，需要注意的是表座和表杆不要伸出过高、过长，因为测量时若悬臂较长，表座易受力移动，造成计数不准，补偿值也就不准确了。
　　三是在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下，低速时的测出值要比高速时大，特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运动时工作台运动速度较低，不易发生过冲超程(相对“反向间隙”)，因此测出值较大；在高速时，由于工作台速度较高，容易发生过冲超程，测得值偏小。因此我们在测量时应尽可能低速。
　　四、在数控系统中对补偿值的输入
　　针对数控机床自身的特点及使用要求，一般的数控系统都具有常用的补偿功能，如对刀点位置偏差补偿、刀具半径补偿、刀位半径补偿、机械反向间隙参数补偿等各种自动补偿功能。其中机械反向间隙参数补偿法是目前开环、半闭环系统常用的方法之一。这种方法的原理是通过实测机床反向间隙误差值，利用机床控制系统中设置的系统参数来实现间隙误差的自动补偿。因此只要输入有限的几个间隙值就可以补偿所有加工过程中的间隙误差，此方法简单易行，对加工程序的编写也没有影响。
　　1.SINUMERIK 802C数控系统
　　在机床数据32450($MA—BACKLASH)中输入系统的传动间隙软件补偿值，如图1所示。
　　2.FANUC Oi—MATE—TB数控系统
　　在参数1851(BACKIASH)的X、Z中分别输入间隙补偿值即可(单位为0.001mm)，如图2所示。
　　更复杂的传动间隙软件补偿操作请参见具体的机床说明书。
　　五、结语
　　在机床出厂前，厂家已测量了进给系统的间隙值，并进行了补偿，但是机床在长期使用后，由于磨损等原因，补偿量就不适当了，势必对工件的加工精度造成影响。因此测量并对机床反向间隙进行补偿是非常有必要的，这对提高工件的加工精度有很大意义。当机床的某个轴被指令改变运动方向时，数控装置会自动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿、修正，使机床准确地定位在指令位置上，消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。