数控机床反向机械间隙的测量与补偿.docx

数控机床反向机械间隙的测量与补偿杨晓晶（徐州生物工程职业技术学院，江苏 徐州 221006）摘 要：数控机床由于使用时间的增加，机床各传动部件的机械间隙逐渐增大，降低了机床的加工精度。以 fanuc 0i 系统数控车床为例，介绍了利用数控系统相应设置参数进行间隙补偿的方法和利用零件加工程序进行间隙补偿的方法。关键词：数控加工；反向机械间隙；系统参数补偿法；加工程序补偿法中图分类号：tg659文献标识码：b文章编号：1672-545x（2014）02-0120-03随着机床制造技术的发展，数控机床的性价比越来越高，而且由于数控机床的高柔性和高精度，数 控机床的普及率逐年增高。2011 年我国数控机床消 费超过 80 亿美元，台数超过 12 万台，表明了数控机 床已成为机床消费的主流，未来五年，我国数控机床 的市场占有率将要达到 70 %以上。目前，我国的机械制造业及相关行业仍以经济 型数控机床为消费主流。经济型数控机床的伺服系统 大多数属于开环、半闭环控制系统，具有稳定性好、成 本较低、维修调试容易的优点。虽然相对于普通机床， 数控机床的传动链大大缩短，但是不论是开环控制系 统还是半闭环控制系统都不能检测运动部件的最终 实际位移，而随着机床使用时间的增长，氧化和振动 等因素都会造成传动部件的磨损变形，从而造成各传 动部件的间隙增大，大大降低机床的加工精度。所以 最大程度的减小数控机床进给系统机械间隙，可以大 幅度提高零件的加工质量。进给系统的反向动作落后于系统指令，降低机床的定位精度和重复定位精度，形成跟随误差甚至是轮 廓误差，从而造成工件的加工精度下降。这个误差如 果反映在连续钻孔或镗孔等作业时就会造成各孔之 间的位置精度降低，如果是进行曲线加工或曲面加 工就会造成轮廓精度降低。因此，为提高机床的加工 精度就必须定期对机床各坐标轴的反向间隙进行测 量和补偿。2反向间隙的测量及参数补偿法数控机床的数控系统都设有机械间隙补偿功 能，即将实际测得的反向间隙值输入到数控系统相 应的参数中，使得各坐标轴只要产生反向运动时即 加走一个反向间隙值进行补偿。对于经济型数控机 床，这种参数补偿法是目前最常用的补偿方法，而且 这种方法操作简单易于掌握，不影响加工程序的编 写。经过补偿后可以大幅度提高机床的定位精度和 重复定位精度，减小或消除反向间隙对机床加工精 度的影响。下面就以 fanuc 0i 系统数控车床为例介 绍反向间隙的测量及参数补偿方法。2.1 表测法测量反向间隙（1）将参数 1851 的 z 向初始间隙值设为零。（2）选择合适的测量区域，手动方式操作机床向 z 轴正方向移动一个距离。（3）将带有杠杆百分表的表架安装在机床导轨 上，百分表的悬臂尽量短一些，表头指向溜板箱侧 面，如图 1 所示，测头保持一定的初始测力，将表针 盘面置零。（4）使用点动进给方式、手轮方式或者编辑一小1机床反向间隙误差产生的原因及造成的后果数控机床进给系统机械传动装置是指将驱动源（一般是步进电机或伺服电机）旋转运动变为工作台 直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺 母副等中间传动机构。其机械间隙包括键联接引起 的间隙、齿轮副的齿侧间隙、丝杠螺母副的间隙、离 合器的反向间隙，等等。各种间隙叠加起来的后果就 是引起机床反向间隙误差，即机床执行部件在运动 过程中从正向变为反向的初始阶段产生空行程，丝 杠转动但工作台并未移动，直到间隙消除为止，使得收稿日期：2013-12-03作者简介：杨晓晶（1980），女，江苏徐州人，讲师，本科，研究方向：数控。120装备制造技术2014 年第 2 期段程序，操作机床向 z 轴负方向移动 12 mm，并读出百分表读数。（5）记录百分表读数，将理论移动数值减去实测 移动距离即为反向间隙值。（6）为提高测量的精度，可以选取 z 向工作行程 中的多个位置分别进行多次测量，计算出最终的平 均值作为反向间隙值，输入到 1851 的 z 向参数中。（7）x 向传动反向间隙值的测量与 z 向传动反 向间隙值的测量方法相同。间隙；（6）向下退刀，主轴停转，并测量 qr 段的长度， 将编程值减去实测值即为 z 向反向间隙值；（7）x 向反向间隙的测量原理与 z 向相同，如图 3 所示。先沿 -x 方向向上进刀，此时丝杠丝母 a-x 面接触，然后切削一段阶梯轴，在进行 qr 段加工时 恰巧是沿 +x 方向走刀，与进刀方向相反，因此需待 丝杠丝母 a+x 面接触后，车刀才会开始切削，从而引 入了 x 向反向间隙；向 下 切 削+zqrp-z向 上 进 刀+z图 1 表测法量 z 轴反向间隙2.2 试切法测量反向间隙表测法操作简单易行，但是在测量过程中忽略 了切削力对反向间隙的影响，所以测量结果有一定 的局限性。试切法测量反向间隙可以模拟精加工的 切削条件，因此能得到更接近真实情况的反向间隙 值。下面就详细介绍试切法测量反向间隙。（1）将参数 1851 的 z 向初始间隙值设为零；（2）选择 30 mm90 mm 的铝棒作为试切对 象，预先将端面切平，伸出卡盘 60 mm 装夹并找正；（3）按照图 2 所示，以手动方式将刀具从卡盘附 近沿 +z 方向移动到 p 点，刀尖与工件在径向保持 3 mm 左右的距离 （路径 1），p 点与工件端面在 z 方 向的距离控制在 12 mm 左右，此时丝杆丝母的 a+z 面接触，将 p 点置为零点；+x图 3x 向反向间隙试切法测量（8）向下退刀，主轴停转，并测量 qr 段的长度，将编程值减去实测值即为 x 向反向间隙值；（9）为提高反向间隙的测量精度，可按上述方法 试切多次取平均值，输入到数控系统的机械间隙补 偿参数 1851 中。3反向间隙的加工程序补偿法利用数控系统的机械间隙补偿功能进行反向间隙补偿，首先必须对反向间隙进行测量，因此不管是 采取表测法还是试切法测量都存在人为因素和测量 工具造成的各种误差。如果在编制加工程序时，根据 零件的加工特点,在切削方向转换时编入消除反向间 隙的走刀指令，从而在加工过程中对机床进行反向 间隙补偿，就可以消除参数补偿法存在的各种误差， 从而提高加工精度。下面，以直线插补为例来介绍反 向间隙的加工程序补偿法。如图 4（a）所示加工一段轴，毛坯为直径 32 mm 的铝棒，首先要保证轴的直径尺寸 30 mm，其次是 轴的长度 l = 50 mm。将工件原点设置在 w 点，图 4（b）所示是未进行间隙补偿的加工路线，图 4（c）所示 为进行间隙补偿的加工路线。+z向左切削qr向右进刀 p+x图 2 z 向反向间隙试切法测量（4）选择合适的进给速度，以手动方式从 p 点向 上切削端面至圆心（路径 2），然后保持相同的进给速 度向下退刀至 q 点（路径 3），在此过程中由于 z 坐 标没有产生运动，故丝杠丝母保持 a+z 面接触；（5）选择手动数据输入方式或自动方式运行一 段程序，沿 -z 方向切削一段轴至 r 点（路径 4），由 于加工方向与进刀方向相反，因此需待丝杠丝母 a-z 面接触后，车刀才会开始切削，从而引入了 z 向反向w+zmp50+x（a）（b）加工程序补偿示意图（c）图 412130measurement and compensation of reverse gap in nc machine toolyang xiao-jing( department of mechanical engineering，xuzhou bioengineering technical college，xuzhou jiangsu 221006，china )eqquuiippmmeennt manufacturing technology no.2，2014未进行间隙补偿的加工路线如图 4（b）：车刀从下向上快速进刀，路径 1 为向上切削端面 p，在走刀 过程中，x 方向的丝杠丝母 a-x 面接触，路径 2 为向 右退刀，z 方向的丝杠丝母 a+z 面接触，路径 3 为向 下走刀至与 m 面对齐，路径 4 为向左切削 m 面。 加工程序片段为：g00 x40 z0 ；g01 x0 f0.1 ； g00 z5 ；g00 x30 ； g01 z-50 ；由于车床纵向、横向都存在间隙误差，在路径 3 向下走刀的过程中，x 向丝杠丝母处于 a-x 面接触 的初始状态，需待丝杠丝母 a+x 面接触后，车刀才开 始沿 +x 方向移动，因此，路径 3 的实际移动距离相 比编程距离缩小了一个 x 向间隙值 1，从而导致实 际加工的直径尺寸小于 30 mm；在路径 4 向左切削 外圆面过程中，z 向丝杠丝母处于 a+z 面接触的初始 状态，需待丝杠丝母 a-z 面接触后，车刀才开始沿-z 方向移动，考虑到车刀在车削端面时，z 向丝杠丝 母接触面的不确定性，因此，路径 4 的实际移动距离 相比编程距离有可能缩小了一个 z 向间隙值 2，从 而导致实际加工的轴的长度尺寸精度的随机性。进行间隙补偿后的加工路线如图 4（c）。路径 1（从右向左快速进刀）路径 2 （向上切削端面 p） 路径 3（向右退刀）路径 4（向下走刀）路径 6（向 下走刀一个距离 1 = 2 mm）路径 7 （向上走刀一 个距离 1 = 2 mm）路径 5（向左切削 m 面）。加工 程序片段为：g00 x40 z20 ；g00 z0 ；路径g01 x0 f0.1 ；路径 g00 z5 ；路径g00 x34 ；路径+ 路径 g00 x30 ；路径g01 z-50 ；路径 相比未进行间隙补偿的加工路线 4-（b）来说，路线（c）增加了一个从右向左的快速进刀，从而保证在 车削端面的过程中，z 方向的丝杠丝母处于 a-z 面接 触的状态，因此路径 3 的实际移动距离相比编程距离缩小了一个 z 向间隙值 2，等于（5 - 2）mm；而路径的移动方向与路径相反，因此路径 4 的实际 移动距离相比编程距离也缩小了一个 z 向间隙值 2，等于（55 - 2）mm。这样一来，轴的实际加工长度 即为路径 5 的实际移动距离减去路径 3 的实际移动 距离，等于（55 - 2）-（5 - 2）= 50 mm，保证了轴的 长度尺寸精度。为保证轴的直径尺寸，相比未进行间 隙补偿的加工路线 4-（b），路线（c）新增了路径 6 和 路径 7，由于车刀在切削端面的过程中，x 向的丝杆 丝母最终处于 a-x 面接触的状态，因此路径 4 和路 径 6 在向下走刀的过程中，实际移动距离相比编程 距离缩小了一个 x 向间隙值 1，等于（17 - 1）mm； 而路径 7 由于与路径 4 和路径 6 方向相反，因此实 际移动距离相比编程距离也缩小了一个 x 向间隙值 1，等于（2 - 1）mm。这样一来，轴的实际加工直径即 为路径 4 和路径 6 的实际移动距离减去路径 7 的实 际移动距离，等于（17 - 1）-（2 - 1）= 15 mm，保证 了轴的直径尺寸精度。这种反向间隙的加工程序补偿法，克服了表测 法和试切法的误差，大大提高了加工精度，但是增加 了加工程序的复杂性，对编程人员有较高的要求。4结束语系统参数补偿法不影响加工程序的编写, 简单易操作,但存在一定的误差；加工程序补偿法不存在 系统参数补偿法的误差，能够反映实际加工条件，适 合各类开环、半闭环数控机床。无论是采用系统参数补偿法还是加工程序补偿 法，数控机床的反向机械间隙都是影响加工精度的 一个重要因素，都必须引起操作人员的重视，定期测 量数控机床反向机械间隙并进行补偿，是保证零件 加工精度的重要环节。参考文献：1 黄登红. 数控机床反向偏差的测定及其补偿j. 机床与液 压，机床与液压，2005（4）：54-55.2 赵庆志，李玉美，房晓东. 经济型数控车床机械间隙误差的 程序补偿方法j. 机械制造，1996（4）：20-22.abstract：cnc machine tools due to the increased use of time, mechanical clearance of the transmission part of ma-chine tool is gradually increased, reducing the processing precision of the machine tool. based on the fanuc 0i system of cnc lathe as an exa