淺析數控車床的反向間隙及其補償
2020-5-25 來源： 安徽機電職業技術學院 作者：吳亞蘭，李 慶
摘要：分析了反向間隙產生原因及其影響因素，提出了多種反向間隙的測量和補償方法，并對各種方法進行了比較，得出了其使用場合。使得反向間隙補償能大幅減小開環和半閉環控制機床的加工誤差，提高合格率。
關鍵詞：方向間隙 測量方法 補償方法
１、引言
反向間隙誤差是指機床在改變運動方向后機床工作臺的運動短暫滯后于電機旋轉，導致工作臺或刀架的實際運動量與理想值不同步而產生的反向偏差。在半閉環控制數控機床中，反向間隙將會影響機床移動過程中的定位和重復定位精度，從而影響被加工零件的精度。如果反向間隙過大，加工出的零件會產生較大圓度和直線度誤差，而增加廢品率。
２、產生原因
由電機驅動經過滾珠絲杠驅動工作臺的進給系統時，由于裝配過程中機械間隙、長期運動傳動鏈的磨損以及伺服電機和伺服馬達反向死區的存在，使得當機床從一個方向運動換向為另一個方向時，執行部件的動作與數控系統的指令不同步，影響機床運動軸的定位和重復定位精度。最終反映為被加工零件的尺寸和形位誤差。反向間隙是進給系統滾珠絲杠等部件裝配后客觀存在的，屬于不可避免的加工原理誤差，但是可以通過條件控制與誤差補償減小其對加工得影響。
３、影響反向間隙誤差的因素
由于在實際運動過程中滾珠絲杠副的受力是時刻變化的，因此其影響因素很多。在影響滾珠絲杠反向間隙的眾多因素中，熱變形和應力形變對反向間隙的影響最大。熱變形是指滾珠絲杠的主要組成部件如絲杠、螺母等在運動過程中產生的熱源，其熱源會傳遞給機床其他零部件，使得相應零部件產生變形。它將直接影響零件的加工精度。絲杠的應力形變是指滾珠絲杠副在運動過程中產生的應力集中，它會使滾珠絲杠在運動過程中產生位移，從而降低機床的定位精度和重復定位精度，容易導致被加工零件的形位誤差過大。
４、檢測方法
反向間隙誤差的測量方法主要有兩大類，一類是用儀表法測量，另一類是通過試切法測量。其中儀表法測量主要用的儀表包括百分表、千分表、激光干涉儀等。其中激光干涉儀和球桿儀屬于高精度儀器，測量數據精準度高，但價格昂貴；百分表雖然價格便宜，但其本身靈敏度低，導致檢測出的數據準確性差；千分表是較理想的選擇，檢測精度較準確，價格也合適，是儀表法檢測反向間隙常用的工具。
ＦＡＮＵＣ ０ｉ－Ｍａｔｅ系統提供參數設置，可補償切削和快速進給兩種模式下的反向間隙。一般選擇在切削進給方式下進行測量，以更準確反應加工的實際情況。
４．１儀表法測量反向間隙以在切削模式下用千分表測量Ｘ軸反向間隙為例，具體步驟如下。
（１）將機床回參考點。
（２）運 行 程 序，將 機 床 移 動 到 一 個 定 點，如 Ｇ０１Ｘ１００Ｆ１００。
（３）此時在機床上裝上千分表測量 Ｘ 軸，壓表后轉動表盤將表針調為０。
（４）運 行 程 序，將 機 床 往 前 繼 續 移 動，如 Ｇ０１Ｘ２００Ｆ１００。
（５）運 行 程 序，將 機 床 移 回 到 原 來 的 測 量 點，Ｇ０１Ｘ１００Ｆ５０，此時表針會與機床接觸，進給速度應慢些。
（６）此時觀察千分表讀數，其顯示數值即為 Ｘ 軸在１００ｍｍ 內的反向間隙。Ｚ方向的反向間隙測量方法和 Ｘ 向類似。注意在首次進行反向間隙補償時，要將數控系統中其對應的補償參數值清零（ＦＡＮＵＣ系統中為１８５１號參數）。
４．２ 試切法測量反向間隙
用表測法測量反向間隙操作簡單方便，但在檢測中沒有包含切削力對反向間隙的影響，其結果具有一定的局限性。為更真實準確的測得反向間隙，可采用試切法。試切法測量反向間隙主要是在模擬精加工的狀態下進行的，其具體步驟如下。
（１）將系統中反向間隙參數出初始值設置為 ０（ＦＡＮＵＣ系統中為１８５１號參數）；
（２）安裝好刀具和工件，加工如圖１（１）所示臺階軸，毛坯直徑為φ２０，工件坐標系設在工件右端面的中心。
圖１ 試切法測量反向間隙
（３）用 Ｇ７１和 Ｇ７０配合，對該軸的外輪廓進行粗、
精加工其具體程序如下：
其精加工走刀路線如圖１（２）所示，可以看 出 在 Ｘ方向上，步驟①和步驟③的反向相反，會引入反向間隙，步驟③和步驟⑤的方向相同，不存在反向間隙。
（４）由于步驟①和步驟③之間引入了反向間隙，而步驟③和步驟⑤之間沒有反向間隙，導致直徑尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致，如果忽略其他因素不計，其偏差即為 Ｘ方向反向間隙。
（5）同樣，在Ｚ方向上，由于步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間隙，導致Ｚ方向尺寸偏差不一致，如果忽略其他因素不計，其偏差數值即為Ｚ向的反向間隙。
（６）為保證測量的準確性，可進行多次測量，取平均值，將所測的平均值輸入到對應的參數中。
５、補償方法
通過上面的步驟測得反向間隙后，可通過反向間隙補償減小其對機械加工的影響。反向間隙補償可通過軟件和硬件補償兩種方式實現。
５．１ 硬件補償
硬件補償主要是通過對進給系統傳動鏈中的各個機械部件進行調整以減小和消除反向間隙，因此又稱為機械調整補償法。具體調整對象和措施為：調整滾珠絲杠副，提高其固定軸承的連接精度、調制其鎖緊螺母的鎖緊力調整反向間隙；調整絲杠和電機，主要是對兩者連接的彈性聯軸器做出調整，提高其連接精度。硬件補償可以通過機械調整消除大部分由于機械部件之間的相對位移引起的反向間隙。但此種調整方法要對機械部件進行裝拆操作麻煩，且對調整者技術要求較高，一般只有在機床大修時才做此調整。
５．２ 軟件補償
軟件補償法按照是由系統參數補償還是程序補償分為系統參數補償法和數控程序補償法兩種。
５．２．１ 系統參數補償法
系統參數補償法是將測得的反向間隙值輸入到機床的系統參數中進行補償（可通過機床參數說明書查得具體補償號，ＦＡＮＵＣ系統中為１８５１號參數）。輸補償值生效后，進給系統在換向后會先移動一個給定的補償值，再走程序 指 定 的 距 離，以 此 來 實 現 反向間隙補償。這種補償方法操作簡單，不影響 程，但存在一定的誤差。
５．２．２ 數控程序補償法
數控程序補償法的基本思想是在編寫數控程序時，如果此段存在反向間隙，就先在此方向上移動一小段距離，將反向間隙消除后再進行加工，以此來消除反向間隙。數控程序補償法避免了表測法和試切法測量反向間隙的人為和測量造成的誤差，因此補償精度高，但同時提高了工藝制定和編程的難度，對編程人員要求較高，一般用于不具有間隙補償功能的數控機床或精度要求特別高的零件加工。數控程序補償法加工實例如圖２所示。
圖２ 加工程序補償示意圖
如圖２（１）所示，加工一臺階軸，毛坯直徑為φ２０，坐標系設置在右端面的中心，其具體程序為：
由圖２（２）可以看出，采用此種加工方法時，在 Ｘ 方向上步驟①和步驟③的反向相反，會引入反向間隙，而步驟③和步驟⑤的方向相同，不存在反向間隙，采用此種加工方法會導致直徑尺寸φ１２和φ１６的尺寸偏差不一致。同樣，在 Ｚ方向上，由于步驟②和步驟⑥的方向相反，會引入反向間隙。用數控程序補償法消除反向間隙，即在產生反向間隙的前端增加一個空走的程序段，改變走刀方向，將反向間隙在空走刀段消除。針對圖 ２（１）的臺階軸，可采用圖２（３）的走刀路線，其具體程序為：
比較圖２（２）和（３）可以看出，圖２（３）增加了一段空行程，步驟②和步驟③，其中步驟②是在 Ｚ方向換向后走了一段空行程，消除 Ｚ向反向間隙；步驟③是在 Ｘ 方向換向后走了一段空行程，消除 Ｘ向反向間隙。
６、結語
反向間隙是影響零件加工精度的一個重要因素，必須引起重視，由于調整后的加工過程中機械部件的再次磨損，又會產生新的間隙，因此反向間隙需要定期測量并補償，以保證零件的加工精度。另外，在進行反向間隙檢測時為達到理想的檢測結果，工作人員應遵循 ＧＢ／Ｔ １７１２１．２－２００２的要求。同時，對外部環境如溫度、輻射、空氣流動性等也應滿足實際需求。
對于開環和半閉環控制系統的數控機床來說，由于其不能直接檢測機床的實際位移量，為進一步提高其加工精度，采用反向間隙補償可顯著提高其定位精度和重復定位精度。實踐表明，通過機床的誤差補償可使加工誤差減少６０％～８０％。對于閉環控制系統的數控機床來說，由于其本身具有檢測反饋裝置，可直接進行檢測出各項誤差然后進行補償，所以采用反向間隙補償效果不明顯，但通過補償可進一步提高控制系統的動態特性。
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