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(guò)去的傳統(tǒng)機(jī)床向數(shù)控機(jī)床這一換代產(chǎn)品過(guò)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(lái)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(kāi)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(kāi)始用于生產(chǎn)，并且愈來(lái)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(kāi)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(lái)的加工誤差問(wèn)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(lái)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)其中關(guān)于測(cè)量反向間隙的控制軟件（如圖2所示），開(kāi)始測(cè)量該軸平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的反向間隙誤差。

（1）通過(guò)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。

數(shù)控機(jī)床間隙誤差補(bǔ)償

針對(duì)數(shù)控機(jī)床自身的特點(diǎn)及使用要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有常用的補(bǔ)償功能，如對(duì)刀點(diǎn)位置偏差補(bǔ)償，刀具半徑補(bǔ)償、刀位半徑補(bǔ)償、機(jī)械反向間隙參數(shù)補(bǔ)償?shù)雀鞣N自動(dòng)補(bǔ)償功能。其中機(jī)械反向間隙參數(shù)補(bǔ)償法是目前開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)常用的方法之一。這種方法，原理是通過(guò)實(shí)測(cè)機(jī)床反向間隙誤差值，利用機(jī)床控制系統(tǒng)中設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)間隙誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。其過(guò)程為: 實(shí)測(cè)各運(yùn)動(dòng)軸的間隙誤差值，然后通過(guò)控制面板鍵入控制單元即可，以后機(jī)床走刀時(shí)，首先在相應(yīng)方向( 如縱身走刀或橫向走刀) 反向走刀時(shí)，先走間隙值, 然后再走所需的數(shù)值,因而原先的間隙誤差就得以補(bǔ)償。由于這種方法是利用一個(gè)控制程序控制所有程序中的反向走刀量，因此只要輸入有限的幾個(gè)間隙值就可以補(bǔ)償所有加工過(guò)程中的間隙誤差，此方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)加工程序的編寫也沒(méi)有影響。

具體操作：在如圖2所示的反向間隙輸入框中加入前面求出的反向間隙補(bǔ)償值，再測(cè)量補(bǔ)償精度。但是此方法的控制依據(jù)是實(shí)測(cè)得的各運(yùn)動(dòng)軸的間隙誤差值，因此受測(cè)量誤差的影響。

表1 反向間隙的測(cè)量數(shù)據(jù)



其存在以下不足之處:

⑴由于運(yùn)動(dòng)鍵中絲杠與螺母之間的間隙值在絲杠全長(zhǎng)呈非線性關(guān)系, 因此以一個(gè)測(cè)量值代表共綜合間隙誤差是不合理的，加上測(cè)量間隙值時(shí)存在誤差，因此這種補(bǔ)償法準(zhǔn)確度較低；

⑵一般進(jìn)給鏈的綜合間隙誤差是在靜態(tài)條件下測(cè)出的，而機(jī)床實(shí)際是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作的，因而靜態(tài)誤差與動(dòng)態(tài)誤差有較大差別。因此這種補(bǔ)償法不能真實(shí)補(bǔ)償實(shí)際誤差；

⑶不能補(bǔ)償因切削力引起的誤差。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，反向間隙誤差補(bǔ)償是數(shù)控機(jī)床保證其加工精度的重要手段。系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償法不影響加工程序的編寫， 易操作，簡(jiǎn)單明了，在一定范圍內(nèi)具有一定的效果，但局限性較大。加工程序補(bǔ)償法效果較好，適用于開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng),特別是對(duì)沒(méi)有補(bǔ)償功能的系統(tǒng)具有較大的實(shí)際作用。但這種方法，增加了零件加工編程的復(fù)雜性，對(duì)使用人員的編程技巧有較高要求。

反向間隙值輸入數(shù)控系統(tǒng)后，數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償此值。但隨著數(shù)控機(jī)床的長(zhǎng)期使用，反向間隙會(huì)因運(yùn)動(dòng)副磨損而逐漸增大，因此必須定期對(duì)數(shù)控機(jī)床的反向間隙值進(jìn)行測(cè)定和補(bǔ)償，從而大大減少或消除反向間隙對(duì)機(jī)床精度、工件加工精度產(chǎn)生的不良影響。

作者簡(jiǎn)介

韓訓(xùn)梅（1984-） 女 江蘇省三江學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院教師，東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制工程專業(yè)工程碩士，主要從事數(shù)控技術(shù)和機(jī)電一體化專業(yè)課程的教學(xué)工作。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#