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淺析數(shù)控車床的反向間隙及其補(bǔ)償
2020-5-25  來(lái)源: 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院   作者:吳亞蘭,李 慶

  
      摘要:分析了反向間隙產(chǎn)生原因及其影響因素,提出了多種反向間隙的測(cè)量和補(bǔ)償方法,并對(duì)各種方法進(jìn)行了比較,得出了其使用場(chǎng)合。使得反向間隙補(bǔ)償能大幅減小開環(huán)和半閉環(huán)控制機(jī)床的加工誤差,提高合格率。
   
     關(guān)鍵詞:方向間隙 測(cè)量方法 補(bǔ)償方法
  
     1、引言
  
     反向間隙誤差是指機(jī)床在改變運(yùn)動(dòng)方向后機(jī)床工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)短暫滯后于電機(jī)旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致工作臺(tái)或刀架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)量與理想值不同步而產(chǎn)生的反向偏差。在半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床中,反向間隙將會(huì)影響機(jī)床移動(dòng)過程中的定位和重復(fù)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(huì)產(chǎn)生較大圓度和直線度誤差,而增加廢品率。
  
      2、產(chǎn)生原因
  
      由電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的進(jìn)給系統(tǒng)時(shí),由于裝配過程中機(jī)械間隙、長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的磨損以及伺服電機(jī)和伺服馬達(dá)反向死區(qū)的存在,使得當(dāng)機(jī)床從一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)換向?yàn)榱硪粋€(gè)方向時(shí),執(zhí)行部件的動(dòng)作與數(shù)控系統(tǒng)的指令不同步,影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的定位和重復(fù)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(jìn)給系統(tǒng)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(bǔ)償減小其對(duì)加工得影響。

      3、影響反向間隙誤差的因素
  
      由于在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中滾珠絲杠副的受力是時(shí)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(yīng)力形變對(duì)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(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱源,其熱源會(huì)傳遞給機(jī)床其他零部件,使得相應(yīng)零部件產(chǎn)生變形。它將直接影響零件的加工精度。絲杠的應(yīng)力形變是指滾珠絲杠副在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中,它會(huì)使?jié)L珠絲杠在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生位移,從而降低機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度,容易導(dǎo)致被加工零件的形位誤差過大。

     4、檢測(cè)方法
  
    反向間隙誤差的測(cè)量方法主要有兩大類,一類是用儀表法測(cè)量,另一類是通過試切法測(cè)量。其中儀表法測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高,但價(jià)格昂貴;百分表雖然價(jià)格便宜,但其本身靈敏度低,導(dǎo)致檢測(cè)出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差;千分表是較理想的選擇,檢測(cè)精度較準(zhǔn)確,價(jià)格也合適,是儀表法檢測(cè)反向間隙常用的工具。

    FANUC 0i-Mate系統(tǒng)提供參數(shù)設(shè)置,可補(bǔ)償切削和快速進(jìn)給兩種模式下的反向間隙。一般選擇在切削進(jìn)給方式下進(jìn)行測(cè)量,以更準(zhǔn)確反應(yīng)加工的實(shí)際情況。

    4.1儀表法測(cè)量反向間隙以在切削模式下用千分表測(cè)量X軸反向間隙為例,具體步驟如下。
   
    (1)將機(jī)床回參考點(diǎn)。
    (2)運(yùn) 行 程 序,將 機(jī) 床 移 動(dòng) 到 一 個(gè) 定 點(diǎn),如 G01X100F100。
    (3)此時(shí)在機(jī)床上裝上千分表測(cè)量 X 軸,壓表后轉(zhuǎn)動(dòng)表盤將表針調(diào)為0。
    (4)運(yùn) 行 程 序,將 機(jī) 床 往 前 繼 續(xù) 移 動(dòng),如 G01X200F100。
    (5)運(yùn) 行 程 序,將 機(jī) 床 移 回 到 原 來(lái) 的 測(cè) 量 點(diǎn),G01X100F50,此時(shí)表針會(huì)與機(jī)床接觸,進(jìn)給速度應(yīng)慢些。
    (6)此時(shí)觀察千分表讀數(shù),其顯示數(shù)值即為 X 軸在100mm 內(nèi)的反向間隙。Z方向的反向間隙測(cè)量方法和 X 向類似。注意在首次進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償時(shí),要將數(shù)控系統(tǒng)中其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)值清零(FANUC系統(tǒng)中為1851號(hào)參數(shù))。

     4.2 試切法測(cè)量反向間隙
  
     用表測(cè)法測(cè)量反向間隙操作簡(jiǎn)單方便,但在檢測(cè)中沒有包含切削力對(duì)反向間隙的影響,其結(jié)果具有一定的局限性。為更真實(shí)準(zhǔn)確的測(cè)得反向間隙,可采用試切法。試切法測(cè)量反向間隙主要是在模擬精加工的狀態(tài)下進(jìn)行的,其具體步驟如下。

     (1)將系統(tǒng)中反向間隙參數(shù)出初始值設(shè)置為 0(FANUC系統(tǒng)中為1851號(hào)參數(shù));
     (2)安裝好刀具和工件,加工如圖1(1)所示臺(tái)階軸,毛坯直徑為φ20,工件坐標(biāo)系設(shè)在工件右端面的中心。
  
  

圖1 試切法測(cè)量反向間隙

      (3)用 G71和 G70配合,對(duì)該軸的外輪廓進(jìn)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(huì)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(dǎo)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(jì),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(huì)引入反向間隙,導(dǎo)致Z方向尺寸偏差不一致,如果忽略其他因素不計(jì),其偏差數(shù)值即為Z向的反向間隙。

     (6)為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,可進(jìn)行多次測(cè)量,取平均值,將所測(cè)的平均值輸入到對(duì)應(yīng)的參數(shù)中。

     5、補(bǔ)償方法
  
     通過上面的步驟測(cè)得反向間隙后,可通過反向間隙補(bǔ)償減小其對(duì)機(jī)械加工的影響。反向間隙補(bǔ)償可通過軟件和硬件補(bǔ)償兩種方式實(shí)現(xiàn)。

    5.1 硬件補(bǔ)償
  
     硬件補(bǔ)償主要是通過對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈中的各個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行調(diào)整以減小和消除反向間隙,因此又稱為機(jī)械調(diào)整補(bǔ)償法。具體調(diào)整對(duì)象和措施為:調(diào)整滾珠絲杠副,提高其固定軸承的連接精度、調(diào)制其鎖緊螺母的鎖緊力調(diào)整反向間隙;調(diào)整絲杠和電機(jī),主要是對(duì)兩者連接的彈性聯(lián)軸器做出調(diào)整,提高其連接精度。硬件補(bǔ)償可以通過機(jī)械調(diào)整消除大部分由于機(jī)械部件之間的相對(duì)位移引起的反向間隙。但此種調(diào)整方法要對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行裝拆操作麻煩,且對(duì)調(diào)整者技術(shù)要求較高,一般只有在機(jī)床大修時(shí)才做此調(diào)整。

     5.2 軟件補(bǔ)償
  
     軟件補(bǔ)償法按照是由系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償還是程序補(bǔ)償分為系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法和數(shù)控程序補(bǔ)償法兩種。

     5.2.1 系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法
  
    系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法是將測(cè)得的反向間隙值輸入到機(jī)床的系統(tǒng)參數(shù)中進(jìn)行補(bǔ)償(可通過機(jī)床參數(shù)說明書查得具體補(bǔ)償號(hào),FANUC系統(tǒng)中為1851號(hào)參數(shù))。輸補(bǔ)償值生效后,進(jìn)給系統(tǒng)在換向后會(huì)先移動(dòng)一個(gè)給定的補(bǔ)償值,再走程序 指 定 的 距 離,以 此 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 反向間隙補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法操作簡(jiǎn)單,不影響 程,但存在一定的誤差。

    5.2.2 數(shù)控程序補(bǔ)償法
  
    數(shù)控程序補(bǔ)償法的基本思想是在編寫數(shù)控程序時(shí),如果此段存在反向間隙,就先在此方向上移動(dòng)一小段距離,將反向間隙消除后再進(jìn)行加工,以此來(lái)消除反向間隙。數(shù)控程序補(bǔ)償法避免了表測(cè)法和試切法測(cè)量反向間隙的人為和測(cè)量造成的誤差,因此補(bǔ)償精度高,但同時(shí)提高了工藝制定和編程的難度,對(duì)編程人員要求較高,一般用于不具有間隙補(bǔ)償功能的數(shù)控機(jī)床或精度要求特別高的零件加工。數(shù)控程序補(bǔ)償法加工實(shí)例如圖2所示。
  
  

圖2 加工程序補(bǔ)償示意圖

  
      如圖2(1)所示,加工一臺(tái)階軸,毛坯直徑為φ20,坐標(biāo)系設(shè)置在右端面的中心,其具體程序?yàn)椋?/span>
  
        
  
        
  
    由圖2(2)可以看出,采用此種加工方法時(shí),在 X 方向上步驟①和步驟③的反向相反,會(huì)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(huì)導(dǎo)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(huì)引入反向間隙。用數(shù)控程序補(bǔ)償法消除反向間隙,即在產(chǎn)生反向間隙的前端增加一個(gè)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(duì)圖 2(1)的臺(tái)階軸,可采用圖2(3)的走刀路線,其具體程序?yàn)椋?/font>
  
      
  
     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(jié)語(yǔ)
   
    反向間隙是影響零件加工精度的一個(gè)重要因素,必須引起重視,由于調(diào)整后的加工過程中機(jī)械部件的再次磨損,又會(huì)產(chǎn)生新的間隙,因此反向間隙需要定期測(cè)量并補(bǔ)償,以保證零件的加工精度。另外,在進(jìn)行反向間隙檢測(cè)時(shí)為達(dá)到理想的檢測(cè)結(jié)果,工作人員應(yīng)遵循 GB/T 17121.2-2002的要求。同時(shí),對(duì)外部環(huán)境如溫度、輻射、空氣流動(dòng)性等也應(yīng)滿足實(shí)際需求。
  
    對(duì)于開環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床來(lái)說,由于其不能直接檢測(cè)機(jī)床的實(shí)際位移量,為進(jìn)一步提高其加工精度,采用反向間隙補(bǔ)償可顯著提高其定位精度和重復(fù)定位精度。實(shí)踐表明,通過機(jī)床的誤差補(bǔ)償可使加工誤差減少60%~80%。對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床來(lái)說,由于其本身具有檢測(cè)反饋裝置,可直接進(jìn)行檢測(cè)出各項(xiàng)誤差然后進(jìn)行補(bǔ)償,所以采用反向間隙補(bǔ)償效果不明顯,但通過補(bǔ)償可進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。



 
 
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