FANUC數控機床反向間隙的測量與補償

徐 杰

(江蘇省常熟職業教育中心校，江蘇 常熟 215500)

數控機床在工業上的應用越來越廣泛，但在實際加工過程，往往有多種因素會影響數控機床的加工精度，操作者經常會遇到反向間隙導致的加工誤差，導致加工工件達不到要求精度。

1 反向間隙

大多數數控機床都采用滾珠絲杠傳動，而滾珠和絲杠之間必然有一定的間隙，當數控機床上的伺服電機帶動絲杠轉了一段時間停止后，如果發出反轉命令，此時可能在一段較短的時間內，工作臺必須要等絲杠間隙消除(受力一側的)以后才能正常帶動工作臺移動，此時的現象是工作臺沒有任何移動，但是電機帶動滾珠絲桿在旋轉，這個間隙稱為反向間隙。

圖1 反向間隙的原理Fig.1 Principle of backlash

2 反向間隙對加工的影響

機床反向間隙誤差是指由于數控機床的滾珠和絲杠之間有一定的間隙，機床的工作臺在運動過程中從正向運動變為反向運動時，執行件的運動量與理論值(編程值)存在誤差。在實際加工過程中，反映為工件上的加工精度的誤差。當數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，會導致伺服電機旋轉而工作臺沒有實際移動，稱之為失動。反向間隙的存在會影響數控機床的定位精度及重復定位精度，影響工件的加工精度，因此需要采取一定的措施來盡可能減少反向間隙的影響，提高產品的加工精度。

例如：在某個方形的工件上鉆4個孔，加工路徑有2種，如圖2所示。圖2(a)按照1-2-3-4的路徑逐個定位、鉆孔，圖2(b)按照1-2-3-4-5的路徑來定位、鉆孔，實際加工完成后，檢測發現采用圖2(b)加工工藝的產品是合格的，采用圖2(a)加工工藝的產品，孔Ⅰ、孔Ⅱ、孔Ⅲ沒有問題，但是孔Ⅳ的位置出現偏差，導致產品不合格。產生偏差的原因是數控機床有反向間隙的存在。在圖2(a)中路徑2為從左往右定位孔的位置。路徑4是從右往左定位孔的位置。在路徑4定位的過程中，由于有反向間隙的存在，電機首先要空轉，消除反向間隙，然后再移動定位，因此孔Ⅳ定位的位置與圖紙上的位置相比偏右。圖2(b)中路徑2為從左往右定位孔的位置，路徑5也是從左往右定位孔的位置，因此不受反向間隙的影響，定位精準，但是影響了加工效率。

圖2 加工路徑的選擇Fig.2 Choice of process path

3 反向間隙的測量

檢測數控機床的反向間隙，常規使用的測量工具有百分表或千分表，如果條件允許，可以考慮使用雙頻激光干涉儀進行測量，這樣測量得到的結果更加精準。但是激光干涉儀價格比較昂貴，所以通常使用千分表或百分表進行測量。測量方法是手動測量或自動測量。手動測量非常直觀，通過手動搖手輪來實現測量，但是容易出現人為偏差。自動測量是通過運行一段程序來測量，從而避免人為偏差，使測量過程變得更加精確、便捷。

手動測量反向間隙的步驟：使運動部件從起始位置向負方向移動100 mm左右。把千分表或者百分表觸頭對準移動部件正側一方，表針對零。使運動部件從停留位置再向負方向移動100 mm左右，使運動部件從新的停留位置再向正方向移動100 mm左右，讀出此時千分表或百分表的數值，此數值就是反向偏差。

自動測量反向間隙的步驟：上述動作可通過編寫一段簡單程序來實現自動進行。運行到第4步時，為了讀數方便，可以延時5 s。N10 G98 G01 U-10 F200，工作臺左移。N20 M00，裝夾百分表或者千分表，將表針對零。N30 U-50，工作臺繼續左移。N40 U50，工作臺右移復位。N50 G04 X5，暫停，讀數。N60 M30，程序結束。

在靠近行程的兩端以及中點三個位置，分別進行多次測定(一般為五次)，求出各個位置上的平均值，以所得平均值中的最大值為反向偏差測量值。在不同的速度下測得的反向間隙會有一定的偏差，特別是在機床軸負荷較大、運動阻力較大時，高速的反向間隙值要比低速的反向間隙值小。不同數控系統有不同的設置方法，以FANUC數控系統為例，提供了高速G00和低速G01兩個補償值。上述的兩種方法對應的是低速G01反向間隙的設置方法。測量高速G00的反向間隙補償量，必須通過運行程序來自動測量，程序如下所示。N10 G98 G00 U-10，工作臺快速左移。N20 M00，裝夾百分表，將表針對零。N30 U-50，工作臺繼續左移。N40 U50，工作臺右移復位。N50 G04 X5，暫停，讀數。N60 M30，程序結束。

4 反向間隙的補償

根據實測出的各軸反向偏差值，分別補償到各軸對應的參數號中。以FANUC數控系統為例，相關參數主要有3個。

第一，是否進行快速移動的反向間隙補償(1800#4)。此參數設置為0是，只需設置1851一個參數。此參數為1時，分別要設置低速反向間隙補償量(1851)以及高速反向間隙補償量(1852)這2個參數。

第二，每個軸的反向間隙補償量(1851)。此參數對應低速反向間隙補償量。將測量得到的反向間隙數值輸入到此參數中，此參數的單位一般為0.001 mm。

第三，每個軸的快速移動反向間隙補償量(1852)。此參數對應高速反向間隙補償量。將測量得到的反向間隙數值輸入到此參數中，此參數的單位一般為0.001 mm。此參數與參數1800#4相關，若1800#4為1，此參數生效；若1800#4為0，則此參數無效。

參數設定完成后，按照上述步驟重新檢測各軸的反向偏差值，并判斷此時的反向偏差量是否在允許范圍內。如果在允許偏差范圍內，則表示反向間隙設定與調整已經完成。若偏差過大，不符合數控機床的要求，則再次進行反向間隙的設定，直至反向偏差量在數控機床允許的范圍內為止。

5 結語

數控機床反向間隙的測量與補償是數控機床維護與保養中比較基礎的一個項目，可以使操作者能更好地調整機床的機械性能，使機床保持良好的加工精度，對產品的加工質量起著至關重要的作用。