數(shù)控系統(tǒng)螺距補償試驗研究*

代春香，孟浩權，李三雁

(1.四川大學 錦城學院，四川 成都 611731； 2.寧波海天精工股份有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著國民生活水平的提高，人們對生產(chǎn)生活用品的品質也有著更高的要求，不僅希望私人定制產(chǎn)品，而且對產(chǎn)品本身的藝術性、視覺性及其表面質量都有著更高的要求。數(shù)控機床作為金屬產(chǎn)品類加工的主力軍，數(shù)控系統(tǒng)螺距補償?shù)娜≈导胺绞降牟煌瑢α慵募庸ぞ燃捌浔砻尜|量具有非常重要的影響。張勇等利用激光干涉儀對FANUC 系統(tǒng)存在的螺紋誤差，提出了具體的測量及補償方法[1-2]。曾超等對數(shù)控銑床定位誤差進行了研究，得出了多個因素對其定位的影響情況[3]。周樹強對MITSUBISHI M70V 數(shù)控系統(tǒng)螺距誤差補償功能進行了研究，并得出了相應的結論[4]。

為了提升數(shù)控機床對零件的加工精度及其加工零件表面質量，筆者通過對四種品牌的數(shù)控系統(tǒng)的螺距補償方式進行了試驗分析，研究發(fā)現(xiàn)FANUC機床的增量存儲型補償方式可能出現(xiàn)階躍突變，本文提出了密化間距的補償方式，并通過實驗研究發(fā)現(xiàn)這種補償方式可以提高數(shù)控機床整體運行的穩(wěn)定性。

1 數(shù)控系統(tǒng)螺距補償試驗及結果

1.1 FANUC、CMITSUBISHI和SIEMENS螺距補償試驗及結果

為了測試數(shù)控系統(tǒng)的螺距補償方式是只在補償點突變還是全行程擬合，采用補償間距較大測量間距較小的方式。根據(jù)相應的補償依據(jù)及其原理，對誤差測量和對誤差進行補償，并通過對數(shù)控系統(tǒng)試驗并進行分析，從得到的測量結果曲線可知是否在補償點階躍突變[5-6]。FANUC螺距補償試驗采用0iMF數(shù)控系統(tǒng)，增量式螺距補償方式[6-7]。MITSUBISHI螺距補償試驗采用M80數(shù)控系統(tǒng)，并采用增量式補償方式試驗[8]。SIEMENS螺距補償試驗采用840D數(shù)控系統(tǒng)，絕對式螺距補償試驗[9]。

1.2 HEIDENHAIN螺距補償試驗及結果

采用530數(shù)控系統(tǒng)，絕對式螺距補償(雙向補償)試驗[10]。此次試驗Z軸，測試無光柵無補償?shù)募す舛ㄎ痪龋玫饺鐖D1所示數(shù)據(jù)曲線。

圖1 無光柵無補償?shù)脑囼灲Y果

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)結果計算補償值，并補償至數(shù)控系統(tǒng)中重新試驗，Z軸正方向和Z軸負方向的補償數(shù)據(jù)如圖2所示。重新試驗激光按100 mm一段采樣間距試驗，得到如圖3所示的數(shù)據(jù)圖，圖形顯示補償較好，沒有突變位置。不更改數(shù)控系統(tǒng)中的補償數(shù)據(jù)，按10 mm一段的采樣間距，測試結果如圖4所示，結果顯示：沒有在補償點有階躍突變，HEIDENHAIN系統(tǒng)是擬合補償?shù)摹?/p>

圖2 補償數(shù)據(jù)

圖3 采樣間距為100mm的試驗結果

圖4 采樣間距為10mm的試驗結果

1.3 螺距補償試驗及結果小結

根據(jù)上述四種數(shù)控系統(tǒng)的激光干涉儀定位試驗，可知：FANUC的增量存儲型螺距補償方式會在補償點位置產(chǎn)生階躍突變，其他三種數(shù)控系統(tǒng)則是擬合插補算法，不會有階躍突變情況。故需要進一步確認FANUC這種螺距補償方式對零件加工的影響，并提出合適的解決方法并試驗。

2 FANUC螺距補償試驗及解決方案

根據(jù)上述試驗分析，F(xiàn)ANUC的增量存儲型螺距補償方式在補償點會產(chǎn)生階躍突變，且階躍突變的大小與螺距補償數(shù)據(jù)的數(shù)值一致，會影響到零件加工精度[6]。現(xiàn)使最大螺距補償參數(shù)取值為8和螺距補償參數(shù)為1分別對零件進行加工，觀察零件表面刀痕情況，并對零件表面結果進行對比分析[11]。

2.1 最大螺距補償參數(shù)試驗及結果

切削時采用XZ軸聯(lián)動，傾斜角為30°，X軸的螺距補償設大，補償間距10，在X400～X510，分別設置為-8；+8；-8；+8；-8；+8；-8；+8；-8；+8；-8；+8，如圖5所示。

圖5 螺距補償及切削聯(lián)運設置

設置主軸轉速為S8000，采用直徑為2 mm的球刀刀具，進給速度為F400，步進間距為0.02 mm，刀具路徑如圖6所示。

圖6 刀具路徑圖圖7 X軸投影方向上的刀痕

根據(jù)FANUC的階躍突變螺距補償方式，理論上切削得到的斜坡面會產(chǎn)生在X軸投影方向上，每隔10 mm有個刀痕，且由于螺距補償數(shù)據(jù)正負交替，刀痕也應是凹坑和凸起相交替的，如圖7所示，X軸向的投影間距為10 mm。

實際切削得到的表面情況與上述理論的預期吻合，如圖8所示，可見這種只在補償點位置生效的方式，在實際切削時確實會出現(xiàn)階躍突變的情況，明顯影響到了零件加工精度和表面質量。

圖8 實物表面刀痕

2.2 調整螺距補償參數(shù)試驗及結果

再次進行實驗時，采用同一把刀具和同樣的參數(shù)切削，只修改螺距補償參數(shù)為-1；+1；-1；+1；-1；+1；-1；+1；-1；+1；-1；+1即可，發(fā)現(xiàn)實物表面加工刀痕條紋及肉眼基本看不出來，切削得到的零件表面如圖9線框內所示。

對比兩次切削結果可知，當螺距補償數(shù)據(jù)的絕對值設大，表面產(chǎn)生的紋路會更加明顯，影響零件質量；而當螺距補償參數(shù)的數(shù)據(jù)絕對值不超過1時，表面紋路基本看不出來。

根據(jù)上述兩種實際切削的橫向條紋可知，當螺距補償數(shù)據(jù)絕對值設定較大時，會有明顯的紋路；當螺距補償數(shù)據(jù)絕對值設定不超過1時，則看不到橫向條紋。故對于FANUC增量存儲型螺距補償方式，要弱化這種階躍突變情況，只能將螺距補償?shù)拈g距設定足夠小，從而將螺距補償?shù)脑隽繑?shù)據(jù)分散到足夠多的點位上，使得每個位置的螺距補償數(shù)據(jù)基本上都是-1；0；+1，如此階躍突變量數(shù)據(jù)最大只有1 μm，對于加工表面的影響可減到最小。

3 結 語

對數(shù)控系統(tǒng)的螺距補償方式進行對比研究，發(fā)現(xiàn)FANUC螺距補償?shù)耐蛔儐栴}，并提出了改善方法。通過對螺距補償取值的不同以觀察工作表面的刀痕情況，螺距補償數(shù)據(jù)較大時會有明顯的紋路，當螺距補償數(shù)據(jù)較小時則看不到橫向條紋，實驗結果表明密化間距的補償方式可以弱化補償?shù)耐蛔儯刑岣邤?shù)控機床運行穩(wěn)定的意義，有提高加工零件精度和表面質量的實用價值。