數(shù)控機(jī)床反向間隙的測(cè)量與補(bǔ)償

引言

隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床行業(yè)也已從過去的傳統(tǒng)機(jī)床向數(shù)控機(jī)床這一換代產(chǎn)品過渡并得到迅速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的普及率逐年上升，主要原因在于數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性。數(shù)控技術(shù)是適用航空、造船、寧宙飛行、武器生產(chǎn)等國(guó)防工業(yè)的生產(chǎn)而發(fā)展起來的，它特別適用于加工精度高、幾何形狀復(fù)雜、尺寸繁多、改型頻繁的中小批量的機(jī)械零件生產(chǎn)。在國(guó)外從四十年代末期開始研究，隨著晶體管集成電路及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，于五十年代末六十年代初期開始用于生產(chǎn)，并且愈來愈多地得到推廣和應(yīng)用。就我國(guó)目前制造業(yè)的技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r而論，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是比較適合我國(guó)企業(yè)及相關(guān)行業(yè)使用，當(dāng)前此類機(jī)床的占有率較高，多數(shù)屬于開環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)，其加工精度很大程度受機(jī)床的機(jī)械精度影響，因而解決好由于機(jī)械間隙帶來的加工誤差問題，是保證加工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

數(shù)控機(jī)床間隙誤差分析

間隙誤差

數(shù)控機(jī)床機(jī)械間隙誤差是指從機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈的首端至執(zhí)行件全程由于機(jī)械間隙而引起的綜合誤差，如圖1所示。機(jī)床的進(jìn)給鏈，其誤差來源于電機(jī)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(jī)床反向間隙誤差是指由于機(jī)床傳動(dòng)鏈中機(jī)械間隙的存在，機(jī)床執(zhí)行件在運(yùn)動(dòng)過程中，從正向運(yùn)動(dòng)變?yōu)榉聪蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行件的運(yùn)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(dāng)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上換向時(shí)，由于反向間隙的存在會(huì)導(dǎo)致伺服電機(jī)空轉(zhuǎn)而工作臺(tái)無實(shí)際移動(dòng)，此稱之為失動(dòng)。如在g01切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，反向偏差會(huì)影響插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的精度，若偏差過大就會(huì)造成“圓不夠圓，方不夠方” 的情形；而在goo快速定位運(yùn)動(dòng)中，反向偏差影響機(jī)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(shù)值較小，對(duì)加工精度影響不大則不需要采取任何措施；若數(shù)值較大，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯下降，加工精度明顯降低, 尤其是曲線加工，會(huì)影響到尺寸公差和曲線的一致性，此時(shí)必須進(jìn)行反向間隙的測(cè)定和補(bǔ)償。特別是采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床，反向間隙會(huì)影響到定位精度和重復(fù)定位精度，這就需要我們平時(shí)在使用數(shù)控機(jī)床時(shí)，重視和研究反向間隙的產(chǎn)生因素、影響以及補(bǔ)償功能等，在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中認(rèn)真總結(jié)發(fā)現(xiàn)反向間隙自動(dòng)補(bǔ)償過程中一些規(guī)律性的誤差，采取恰當(dāng)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(cè)量界面

間隙誤差的測(cè)量

為了很好的研究反向間隙誤差對(duì)于加工的影響，我們借助一個(gè)小型的三維坐標(biāo)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)集成有多軸運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、電控箱、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等部件。機(jī)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(tái)，用與實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡和動(dòng)作。執(zhí)行裝置采用了步進(jìn)電機(jī)，控制裝置由pc機(jī)、基于dsp閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制卡和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器等組成。運(yùn)動(dòng)控制卡接受pc機(jī)發(fā)出的位置和軌跡指令，進(jìn)行規(guī)劃處理，轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動(dòng)可以接受的指令格式，發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理和放大，輸出給執(zhí)行裝置。

選取其中的x軸，打開其中關(guān)于測(cè)量反向間隙的控制軟件（如圖2所示），開始測(cè)量該軸平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中的反向間隙誤差。

（1）通過手動(dòng)調(diào)整使平臺(tái)置于合適的位置，一般靠近平臺(tái)的副段，并設(shè)置為工件原點(diǎn)。

（2）在運(yùn)動(dòng)距離輸入框中輸入需要測(cè)試的運(yùn)動(dòng)距離，再在反向間隙輸入框中輸入0，不進(jìn)行間隙補(bǔ)償。

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

（4）按下測(cè)試按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)輸入的測(cè)試距離進(jìn)行測(cè)試，最后顯示測(cè)試結(jié)果。

（5）重復(fù)以上動(dòng)作，多次測(cè)量反向間隙。得到x軸正方向運(yùn)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(cè)試x軸反方向運(yùn)動(dòng)的反向間隙，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

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