利用宏程序實現FANUC反向間隙自動測量與補償*

陳　芳

(深圳職業技術學院 機電學院，廣東 深圳　518055)

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利用宏程序實現FANUC反向間隙自動測量與補償*

陳芳

(深圳職業技術學院 機電學院，廣東 深圳518055)

針對傳統使用百分表手動檢測數控機床反向間隙過程中人工介入較多，測量效率低等缺點，提出了一種結合高精度測頭和FANUC數控系統G31高速跳轉信號，利用宏程序實現“傻瓜”式一鍵操作進行反向間隙自動測量與自動補償的方案。分析了自動檢測系統的檢測原理，介紹了系統的硬件電氣連接，給出了關鍵宏程序代碼。最后以Renishaw激光干涉儀為工具，比較了利用該方法自動測量和補償反向間隙前后的機床精度。試驗數據證明該自動檢測系統能有效地調整機床的反向間隙，從而提高機床的定位精度。

宏程序；反向間隙；機床精度檢測

0　引言

反向間隙是指機械傳動鏈換向時，伺服電動機空轉而工作臺并未產生實際運動而產生的間隙，又被稱為齒隙、背隙、失動量等[1]。隨著機床使用年限的增加，機床在加工中受到外界負載、熱、振動等因素都會造成機床零件的磨損和變形，造成各傳動部件的間隙增大，從而影響機床的定位精度和重復定位精度，增加零件的加工誤差。因此，必須定期對機床各坐標軸的反向間隙進行及時地檢測與調整。

目前在經濟性數控機床的反向間隙檢測方法中，普遍采用千分表/百分表進行測量。傳統使用千分表/百分表的測量方法中需要手動移動數控機床坐標軸，肉眼識別千分表/百分表讀數，手動記錄測量數據，人工計算反向間隙補償量，并在數控系統中手動輸入補償數據。整個過程步驟繁瑣，要求測量者能熟練操作數控機床，并精通系統參數的修改，對其提出了較高的技術要求；而且傳統檢測方法中人工介入較多，測量效率低，由此不免帶來人為的讀數和計算誤差。因此本文旨在探索一種利用宏程序結合高精度測頭實現機床反向間隙自動測量與補償的方法，通過“傻瓜”式一鍵操作，實現整個過程由測量軟件自動控制完成，避免了不必要的人為誤差，提高反向間隙測量與調整的效率。

1　檢測原理

本方法采用的反向間隙檢測原理為：在機床所檢軸線的行程范圍內，使機床往某一方向移動，經過1次換向后，反向移動到某一位置的指令距離和實際距離的差值即為機床的反向間隙。

以立式數控銑床X軸反向間隙檢測為例，其具體檢測與調整過程如圖1所示。

圖1　反向間隙形成與測量

(1)首先機床坐標軸回參考點。

(2)如圖1a，將測頭安裝在主軸上，標準量塊安裝在工作臺上隨工作臺移動。當工作臺從左側正向右移時，螺母右側緊貼工作臺，當標準量塊碰到測頭的瞬間，利用系統的G31跳轉功能使機床暫停，數控系統自動記下此時的機床坐標值X1。

(3)如圖1b，測頭抬起，工作臺在螺母的帶動下繼續正向移動一段距離。

(4)如圖1c，測頭下降，工作臺螺母換向移動，由于有反向間隙的存在，工作臺有一定的失動，當螺母左側緊貼工作臺后，工作臺反向移動，在測頭觸碰到標準量塊的另一邊時，機床暫停，系統自動記下此時的機床坐標值X2。

在反向間隙為0的理想情況下，兩次記下的機床坐標值之差應該等于標準量塊的長度與測頭探頭直徑之和L0。但由于反向間隙引起的工作臺失動，造成實際兩次機械坐標值之間的差值L1往往小于理想差值L0，其中L1與L0的差值即為所測量的反向間隙B，即：

B=L0-L1=

(L+D)-(X2-X1)

(5)測量完成后，機床自動將計算出的反向間隙補償值自動改寫到PRM1851反向間隙補償參數中。

2　系統設計

在上述測量方法中需要用到FANUC數控系統跳轉功能。跳轉功能的實現在硬件上需要探頭和控制系統接收脈沖信號的物理連接，軟件上需要控制系統具有G31的跳躍功能，再結合宏程序編寫相關的數據運算和參數寫入等代碼就能實現反向間隙自動測量和補償的功能。

2.1測頭高速跳轉信號連接

數控系統跳轉功能分為普通跳轉接口與高速跳轉接口兩種[2]。其編程指令的使用方法一樣，都是G31，只是在硬件的接口不一樣。普通跳轉接口將探頭的脈沖信號接到X4.7(SKIP)PMC的輸入地址，而高速跳轉信號(HDI0)是直接連接到CNC，不經過PMC。普通跳轉信號輸入的延遲和誤差是0～2ms，而高速跳轉信號輸入則能保證誤差在0.004ms以下，可以實現高精度的測量。因此這里采用高速跳轉接口。

數控機床用的三維測頭安裝在機床主軸上并隨主軸移動時，只要測針上的測球與工件表面接觸，使測針產生微小的擺動或移動，將立即導致測頭發出聲、光等指示信號，并輸出相關開關量信號。其中三維測頭輸出的開關量信號與數控系統高速跳轉信號的連接如圖2所示[2]。

圖2　高速跳轉信號連接

2.2G31高速跳轉功能

高速跳轉信號要與G31指令結合才能正確使用。像G01一樣，在G31 指令之后指定軸運動，可以指令直線插補[3-4]。G31指令在執行這個命令期間，當控制系統接收到外部跳轉信號以后，G31馬上停止執行，刀具的位置馬上儲存在相應的系統變量中，接著開始執行下一程序段指令。

圖3為有和沒有外部跳轉信號兩種情況下執行執行G31指令的過程。

圖3　G31跳轉功能相關的運動

當跳轉信號接通時，其坐標值被存儲在用戶宏程序的系統變量#5061～#5068中[5-6]，它們能在用戶宏程序中被使用，如表1所示。利用該功能可以計算反向間隙的大小。

表1　宏變量含義

2.3參數寫入指令

測量完成后，數控系統自動將計算出的反向間隙補償值補償到PRM1851反向間隙補償參數中，這里需要用到FANUC數控系統的G10可編程數據輸入指令，向控制系統寫入數據[7]。注意在某些控制系統中，G10是可選功能，在使用它之前需要激活。可編程參數輸入的格式如下：

G10 L50；(參數輸入模式開始)

N_R_；(參數輸入：N包含參數號；R包含指定參數值，可以是常數，可以是變量)

……(允許多參數輸入)

G11；(參數輸入模式結束)

3　程序編寫

宏程序編寫是實現整個自動測量與補償功能的關鍵，其中包括測頭標準量塊的尺寸定義，測量過程中數控機床機械坐標值的記錄，反向間隙的計算以及反向間隙的自動補償等功能。

3.1宏程序調用

使用G65非模態宏程序調用[8]，可以通過指定自變量將測頭直徑和標準量塊的尺寸傳給宏程序。調用格式為：

G65 P9010A*B*C*;

P9010為所調用的宏程序；A，B，C變量[2]分別對應于宏程序中的局部變量#1，#2和#3。其中A變量為測頭直徑，B變量為標準量塊X方向寬度，C變量為標準量塊Y方向寬度。若只測量X方向的反向間隙時，可以設置C后面變量值為0，同理，若只測量Y方向的反向間隙時，可以設置B后面變量值為0。

3.2宏程序清單

以X方向為例，測頭測量移動的路線如圖4所示。

圖4　測頭移動路線

其中關鍵部分的宏程序代碼如下：

O9010；

#4=20;(粗略靠近量塊預留距離)

#5=5；(精確靠近量塊預留距離)

G21；

IF[#2EQ0]THEN GOTO 100；(#2為G65調用指令中的B變量。如果標準量塊X方向寬度為0，則跳轉到N100程序代碼處測量Y方向的反向間隙。)

G91 G31 Z-100. F200;(如圖4路線1探頭從Z方向向下接近量塊上表面。-100這個距離沒有任何特殊意義，只是為了讓探頭向下碰到量塊后抬刀到合適的高度再移動到標準量塊的兩端。這里和后續的動作都是用增量模式。)

Z#5;(如圖4路線2，Z方向抬高到合適的高度)

#10=#1/2+#2+#4；(計算-X方向移動距離)

X(-#10) F200；(如圖4路線3，移動到量塊-X方向測)

Z(-2*#5);(如圖4路線4，測頭Z方向下降)

X(#4-#5);(如圖4路線5，測頭X+方向粗略靠近量塊)

G31 X(#5*2) F10;(如圖4路線6，X+方向精確靠近量塊。為了保證測量精度，需要很小的接近速度。)

#100=#5061；(存儲X+方向靠近量塊時的X機械坐標)

Z2*#5;(如圖4路線7，測頭抬起)

X(#1+#2+#4);(如圖4路線8，測頭X+方向繼續移動)

Z(-2*#5);(如圖4路線9，測頭下降)

X(#5-#4); (如圖4路線10，測頭反向，X-方向粗略靠近量塊)

G31 X(-#5*2) F10; (如圖4路線11，測頭X-方向精確靠近量塊。為了保證測量精度，需要很小的接近速度)

#101=#5062；(存儲X-方向靠近量塊時的X機械坐標)

#102=#1+#2-(#101-#100);(計算X軸反向間隙)

Z(2*#5); (如圖4路線12，測頭抬刀)

X(-1/2*#1-#2)；(如圖4路線13，X方向回原位)

G10 L50;(參數輸入模式開始)

N1851 R(#102*1000)；(設定反向間隙補償參數，要進行單位換算)

G11；(參數輸入模式結束)

N100 IF[#3EQ0]THEN GOTO 200；

……測量Y軸反向間隙同理，此處省略

……

N200 G28 Z0;

G00 X0 Y0;

M30;

%

4　系統運行與測試

4.1系統運行

選用設備：華亞YHM600系列立式數控銑床，配備FANUC 0i-MD系統，采用哈量公司的TP60觸發式三維測頭，測頭直徑為6.0mm。選用20mm高精度量塊。

運行步驟如下：

(1)安裝好三維測頭，接好高速跳轉信號；

(2)首先將反向間隙補償參數No.1815清零，返回參考點使機床反向間隙生效；

(3)X方向安裝好量塊。手動模式將測頭探針移動到量塊上方大約50mm的中心位置；

(4)在MDI或者自動模式下運行指令G65 P9010 A6.0 B20.0 C0。

4.2測試效果

為了檢驗使用宏程序實現反向間隙自動檢測與補償的效果，采用高精度檢驗儀器Renashaw ML10激光干涉儀作為第三方測試手段[9]，分別對該機床在反向間隙補償前和使用宏程序進行反向間隙自動測量和補償之后的機床精度進行了測試和對比。

測試對象：YHM600系列立式數控銑床，FANUC 0i-MD系統，X軸的位置精度。X軸行程范圍為600mm，測量位置0～600mm，間距60mm，共11個點。

為了減小系統精度補償的的干擾因素，首先將系統的反向間隙補償值和螺距誤差補償值全部清零并回參考點，然后使用激光干涉儀對調整前的機床精度進行檢測，使用GB/T 17421.2-2000三合曲線標準[10]進行數據分析，由激光干涉儀自帶軟件生成其數據分析結果如圖5所示。

圖5　反向間隙補償之前機床精度分析

在該機床上使用本文所述方法進行反向間隙自動測量與補償后，再次使用激光干涉儀對調整后的機床進行精度檢測，其數據分析結果如圖6所示。

圖6　反向間隙自動補償之后機床精度分析

由圖5和圖6對比可知，在反向間隙補償之前，該機床的反向差值B為27μm，在使用自動反向間隙檢測與補償之后，機床的反向差值B減小為2μm，可見該機床X軸的反向間隙已經成功地被補償。同時機床的綜合定位精度由49μm提高到28μm，較之前有了明顯提高。

5　結束語

本文探討了使用宏程序和高精度測頭實現數控機床反向間隙自動檢測以及參數補償的方法，試驗證明該方法能有效補償機床的反向間隙。使用中應注意：影響該方法檢測精度的重要因素是測頭的復位精度和位置精度，因此為了保證自動測量與補償的效果，用戶需要在檢測之前對測頭的精度指標進行自檢。

[1] 杜強. 數控機床反向間隙檢測與補償[J]. 機械工業標準化與質量， 2013(8):43-45

[2] FANUC數控系統應用中心.FANUC數控系統連接與調試[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] S.K.Sinha. FANUC數控宏程序編程技術[M].北京:科學出版社,2011.

[4]畢忠梁. 基于FANUC系統的無線對刀儀實現一鍵自動對刀[J]. 制造技術與機床，2014(3):96-98.

[5]朱宏偉. 基于 FANUC 用戶宏程序的刀長測量程序設計[J]. 機床與液壓，2012,40(2):92-94，114.

[6]張亞萍. 數控機床上測頭系統測量程序的開發[J].機床與液壓，2010,38(22):119-120,125.

[7]王寶平.淺談FANUC 0iD系統參數的特殊更改方法[J]. 制造技術與機床，2014(1):169-172.

[8] 陳芳. 基于步距規的機床精度自動檢測控制系統設計 [J]. 組合機床及自動化加工技術，2014(6):76-79.

[9] 劉利劍，楊光，岳彥芳,等.在線測量系統中測量宏程序的開發[J]. 組合機床及自動化加工技術，2005(5):75-77.

[10] 全國金屬切削機床標準化技術委員會. 國家標準 GB/T17412.2-2000 機床檢驗通則 第2部分:數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定[S]. 北京:中國標準出版社,2000.

(編輯趙蓉)

Backlash Automatic Measurement and Compensation Based on FANUC User Macro Program

CHEN Fang

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic, Shenzhen Guangdong 518055, China)

Aimed at the disadvantage of tedious manual intervention and low efficiency in traditional manual backlash measurement with dial indicator, a backlash automatic measurement and compensation scheme is put forward with user macro program based on high precision probe and FANUC G31 instructions. The system principle is analyzed. The electrical connection is introduced. The key macro program codes are elaborated. The precision of a milling machine adjusted by the automatic system is tested by a renishaw laser interferometer. The experiment proves that it can reduce the backlash and improve the position precision of machine tool effectively.

macro program；backlash；CNC precision measurement

1001-2265(2016)04-0101-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.027

2015-05-20

2015-06-19

深圳市南山區科技計劃項目：數控機床伺服優化與機械精度調整的研究及應用 (KJ02S0210900000155)

陳芳(1977—)，女，湖南桃源縣人，深圳職業技術學院副教授，碩士，研究方向為數控機床應用，(E-mail)chenfangsz@szpt.edu.cn。

TH166;TG659

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