數(shù)控機床反向間隙的測量與補償

引言

隨著機械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，機床行業(yè)也已從過去的傳統(tǒng)機床向數(shù)控機床這一換代產(chǎn)品過渡并得到迅速發(fā)展。數(shù)控機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械零件生產(chǎn)。在國外從四十年代末期開始研究，隨著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始用于生產(chǎn)，并且愈來愈多地得到推廣和應(yīng)用。就我國目前制造業(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)控機床是比較適合我國企業(yè)及相關(guān)行業(yè)使用，當(dāng)前此類機床的占有率較高，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床的機械精度影響，因而解決好由于機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)控機床間隙誤差分析

間隙誤差

數(shù)控機床機械間隙誤差是指從機床運動鏈的首端至執(zhí)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鏈中機械間隙的存在，機床執(zhí)行件在運動過程中，從正向運動變?yōu)榉聪蜻\動時，執(zhí)行件的運動量與理論值(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)控機床工作臺在其運動方向上換向時，由于反向間隙的存在會導(dǎo)致伺服電機空轉(zhuǎn)而工作臺無實際移動，此稱之為失動。如在g01切削運動時，反向偏差會影響插補運動的精度，若偏差過大就會造成“圓不夠圓，方不夠方” 的情形；而在goo快速定位運動中，反向偏差影響機床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時各孔間的位置精度降低。這樣的反向間隙若數(shù)值較小，對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，會影響到尺寸公差和曲線的一致性，此時必須進(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(shù)控機床，反向間隙會影響到定位精度和重復(fù)定位精度，這就需要我們平時在使用數(shù)控機床時，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(xí)和實踐中認(rèn)真總結(jié)發(fā)現(xiàn)反向間隙自動補償過程中一些規(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，我們借助一個小型的三維坐標(biāo)教學(xué)與實訓(xùn)平臺。這個平臺集成有多軸運動控制器、電機及其驅(qū)動、電控箱、運動平臺等部件。機械裝置是一個采用滾珠絲杠傳動的模塊化十字工作平臺，用與實現(xiàn)目標(biāo)軌跡和動作。執(zhí)行裝置采用了步進(jìn)電機，控制裝置由pc機、基于dsp閉環(huán)運動控制卡和相應(yīng)的驅(qū)動器等組成。運動控制卡接受pc機發(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)動可以接受的指令格式，發(fā)給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器進(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)于測量反向間隙的控制軟件（如圖2所示），開始測量該軸平臺在運動過程中的反向間隙誤差。

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

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

（3）按下正向點動按鈕，讓絲杠朝正方向運動一小段距離（大約10mm），然后點停止運動。

（4）按下測試按鈕，系統(tǒng)會自動根據(jù)輸入的測試距離進(jìn)行測試，最后顯示測試結(jié)果。

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

（6）用以上的方法，按下反向點動按鈕，測試x軸反方向運動的反向間隙，測量結(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軸正方向運動的反向間隙為-0.482，x軸反方向運動的反向間隙為0.480。