數(shù)控機(jī)床反向間隙和定位精度的檢測與補(bǔ)償

黃 祥

一、反向間隙

由于機(jī)床傳動(dòng)鏈機(jī)械間隙的存在，機(jī)床在運(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，形成反向間隙。反向間隙的存在會(huì)影響到機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，最后反映至工件的加工精度和誤差。如在G01切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，反向間隙會(huì)影響插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的精度，若偏差過大就會(huì)產(chǎn)生“圓不圓、方不方”的情況，而在G00快速定位運(yùn)動(dòng)中，反向間隙影響機(jī)床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時(shí)各孔間的位置精度下降。若反向間隙數(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(huì)影響到尺寸公差和曲線的一致性，特別是采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床，必須進(jìn)行反向間隙的測定和補(bǔ)償。

1.反向間隙檢測

在所測量的坐標(biāo)軸的行程內(nèi)，預(yù)先向正向或反向移動(dòng)一個(gè)距離并以此停止位置為基準(zhǔn)，再在同一方向給予一定移動(dòng)指令值，使之移動(dòng)一段距離，然后再向相反方向移動(dòng)相同距離，測量停止位置和基準(zhǔn)位置之差。在靠近行程的中點(diǎn)及兩端的3個(gè)位置分別進(jìn)行多次測定（一般為7次），求出各個(gè)位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向間隙測量值。在測量時(shí)一定要先移動(dòng)一段距離，否則不能得到正確的反向間隙值。

測量直線運(yùn)動(dòng)軸的反向間隙時(shí)，測量工具通常采用千分表或百分表，若條件允許，可使用雙頻激光干涉儀。當(dāng)采用千分表或百分表進(jìn)行測量時(shí)，需要注意的是表座和表?xiàng)U不要伸出過高過長，因?yàn)闇y量時(shí)由于懸臂較長，表座易受力移動(dòng)，造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，補(bǔ)償值也就不真實(shí)。若采用編程法實(shí)現(xiàn)測量，則能使測量過程變得更便捷、更精確。

例如：在3坐標(biāo)立式機(jī)床上測量X軸的反向間隙，可先將表壓住主軸的圓柱表面，然后可運(yùn)行如下程序進(jìn)行測量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作臺(tái)右移

N20 X-50；工作臺(tái)左移，消除傳動(dòng)間隙

N30 G04 X5；暫停以便觀察

N40 Z50；Z 軸抬高

N50 X-50；工作臺(tái)左移

N60 X50；工作臺(tái)右移復(fù)位

N70 Z-50；Z 軸復(fù)位

N80 G04 X5；暫停以便觀察

N90 M99；

工作臺(tái)在不同的運(yùn)行速度下所測出的結(jié)果會(huì)有所不同。一般情況下，低速時(shí)測出值要比高速的大，特別是在機(jī)床軸負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)阻力較大時(shí)，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較低，運(yùn)動(dòng)慣性較低，因此測得值較大；在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較高，運(yùn)動(dòng)慣性較大，因此測得值較小。

2.反向間隙補(bǔ)償

一般數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)都具有常用的補(bǔ)償功能，如對刀點(diǎn)位置偏差補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、刀位半徑補(bǔ)償和機(jī)械反向間隙參數(shù)補(bǔ)償?shù)雀鞣N自動(dòng)補(bǔ)償功能。通常數(shù)控裝置內(nèi)存中設(shè)有若干個(gè)地址，專供存儲(chǔ)各軸的反向間隙值。當(dāng)機(jī)床的某個(gè)軸被指令改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，數(shù)控裝置會(huì)自動(dòng)讀取該軸的反向間隙值，對坐標(biāo)位移指令值進(jìn)行補(bǔ)償和修正，使機(jī)床準(zhǔn)確地定位在指令位置上，消除或減小反向間隙對機(jī)床精度的不利影響，對加工程序的編寫也沒有影響。

對于沒有補(bǔ)償功能的機(jī)床，可用編程法實(shí)現(xiàn)單向定位，清除反向間隙，在機(jī)械部分不變的情況下，只要低速單向定位到達(dá)插補(bǔ)起始點(diǎn)，然后再進(jìn)行插補(bǔ)加工。插補(bǔ)進(jìn)給中遇反向時(shí)，進(jìn)給反向間隙值再正式插補(bǔ)，即可提高插補(bǔ)加工的精度，基本上可以保證零件的公差要求。

隨著數(shù)控機(jī)床的長期使用，反向間隙會(huì)因運(yùn)動(dòng)副磨損而逐漸增大，因此必須定期對數(shù)控機(jī)床的反向間隙值進(jìn)行測定和補(bǔ)償，從而大大減少或消除反向間隙對機(jī)床精度與工件加工精度產(chǎn)生的不良影響。

二、定位精度

數(shù)控機(jī)床的定位精度是指所測量的機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度，是數(shù)控機(jī)床有別于普通機(jī)床的一項(xiàng)重要精度，它與機(jī)床的幾何精度共同對機(jī)床的切削精度產(chǎn)生重要影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以從它所能達(dá)到的定位精度判斷出它的加工精度，所以對數(shù)控機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢測和補(bǔ)償是保證加工質(zhì)量的重要途徑。

1.定位精度檢測

目前多采用雙頻激光干涉儀對機(jī)床檢測和處理分析，利用激光干涉儀原理，以激光實(shí)時(shí)波長為測量基準(zhǔn)，所以提高了測試精度及增強(qiáng)了適用范圍。激光干涉測量原理，如圖1所示。

圖1中1是激光器，2是λ/4片，分光器3、4和10為檢偏器，5和11是接受器，6是偏振分光器，7和8是反射鏡，9為棱鏡。單頻He-Ne激光器置于永久磁場中，由于塞曼效應(yīng)使激光的原子譜線分裂為一對旋轉(zhuǎn)方向相反的左右圓偏振光，若兩束光的振幅相同，其頻率分別為f1，f2，且相差很小，左右圓偏振光經(jīng)λ/4片后變?yōu)檎駝?dòng)方向互相垂直的線偏振光，分光器將其中一部分反射，經(jīng)檢偏器形成f1、f2拍頻信號(hào)，接收器接收作為參考信號(hào)，通過分光器的光束進(jìn)入偏振分光器，偏振分光器讓平行于分光面的頻率為f2的線偏振光完全通過，并到達(dá)可動(dòng)反射鏡，當(dāng)可動(dòng)反射鏡以速度V移動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)便可產(chǎn)生差頻Δf，f2即變?yōu)閒2+Δf；偏振分光器把垂直于分光面的頻率為f1的線偏振光完全折反到固定反射鏡，這兩束光反射至偏振分光器的分光面會(huì)合，經(jīng)轉(zhuǎn)向棱鏡再經(jīng)檢偏器由接收器接收作為測量信號(hào)，測量信號(hào)與參考信號(hào)相減即得多普勒頻率差Δf。計(jì)數(shù)器在時(shí)間t內(nèi)計(jì)取頻率為Δf的脈沖數(shù)N，相當(dāng)于在t區(qū)間內(nèi)對Δf的積分，即，故測量距離，其中N是累計(jì)脈沖數(shù)，λ是激光波長，C是光速。

當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，可通過累計(jì)脈沖數(shù)得到移動(dòng)距離，當(dāng)把該移動(dòng)距離與被標(biāo)測機(jī)床的光柵尺讀數(shù)相比較，可得定位精度誤差。檢測方法如下：

（1）安裝雙頻激光干涉儀；

（2）在需要測量的機(jī)床坐標(biāo)軸方向上安裝光學(xué)測量裝置；

（3）調(diào)整激光頭，使測量軸線與機(jī)床移動(dòng)軸線共線或平行；

（4）待激光預(yù)熱后輸入測量參數(shù)；

（5）按規(guī)定的測量程序運(yùn)行機(jī)床進(jìn)行測量；

（6）數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出。

作為一種檢測儀器，它在運(yùn)行過程中有些因素會(huì)影響到測量數(shù)值，給測量結(jié)果帶來負(fù)面影響。用雙頻激光干涉儀檢驗(yàn)數(shù)控機(jī)床定位的精度，其測量誤差主要來源于雙頻激光干涉儀的極限誤差、安裝誤差和溫度誤差。

2.定位精度的補(bǔ)償

若測得數(shù)控機(jī)床的定位誤差超出誤差允許范圍，則必須對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償。常用方法是計(jì)算出螺距誤差補(bǔ)償表，手動(dòng)輸入機(jī)床CNC系統(tǒng)，從而消除定位誤差，由于數(shù)控機(jī)床3軸或4軸補(bǔ)償點(diǎn)可能有幾百上千點(diǎn)，所以手動(dòng)補(bǔ)償需要花費(fèi)較多時(shí)間，并且容易出錯(cuò)。

現(xiàn)在通過RS232接口將計(jì)算機(jī)與機(jī)床CNC控制器連接起來，用VB編寫的自動(dòng)校準(zhǔn)軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機(jī)床同步工作，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床定位精度的自動(dòng)檢測及自動(dòng)螺距誤差補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法如下：

（1）備份CNC控制系統(tǒng)中的已有補(bǔ)償參數(shù)；

（2）由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生進(jìn)行逐點(diǎn)定位精度測量的機(jī)床CNC程序，并傳送給CNC系統(tǒng)；

（3）自動(dòng)測量各點(diǎn)的定位誤差；

（4）根據(jù)指定的補(bǔ)償點(diǎn)產(chǎn)生一組新的補(bǔ)償參數(shù)，并傳送給CNC系統(tǒng)，螺距自動(dòng)補(bǔ)償完成；

（5）重復(fù)（3）進(jìn)行精度驗(yàn)證。

三、結(jié)語

采用以上方法對機(jī)床各坐標(biāo)軸反向間隙、定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確測量和補(bǔ)償，可以有效地減小或消除其對機(jī)床精度的不利影響，提高機(jī)床的位置精度，從而保證零件的加工精度。

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