今科技術(shù)/轉(zhuǎn)摘
數(shù)控機(jī)床經(jīng)過(guò)多年的使用，其重復(fù)定位精度都有不同程度的降低。針對(duì)這種情況，通過(guò)對(duì)機(jī)床的反向間隙進(jìn)行測(cè)量，在機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)中對(duì)各個(gè)軸進(jìn)行重新補(bǔ)償，可以有效地提高機(jī)床的加工精度，從而有效保證零件的加工質(zhì)量。
/序言/
配備FANUC數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床以其高效、精準(zhǔn)的加工性能而被經(jīng)常使用。然而，隨著機(jī)床使用時(shí)間的增長(zhǎng)，由于機(jī)械零件的磨損、松動(dòng)以及控制系統(tǒng)的誤差等原因，機(jī)床的反向間隙會(huì)逐漸增大，就會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。準(zhǔn)確測(cè)量并合理補(bǔ)償機(jī)床反向間隙，對(duì)于提高機(jī)床的加工精度、保證加工零件的質(zhì)量以及延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命具有重要的意義。
/產(chǎn)生問(wèn)題/
某零件在一臺(tái)帶A軸VMC300數(shù)控銑床上銑扁部位時(shí)，零件裝夾在A軸上，先銑一面，A軸轉(zhuǎn)180°后銑另一面，但是加工完以后發(fā)現(xiàn)兩平面平行度很大，根本無(wú)法保證使用要求。按常理說(shuō)，一次裝夾銑出的零件的位置度應(yīng)該可以保證。在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間摸索，排除了一系列原因之后，推測(cè)A軸在程序指令轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度沒有達(dá)到要求，通過(guò)試驗(yàn)，將零件進(jìn)行多個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，然后打表，最后證實(shí)了A軸傳動(dòng)存在較大間隙。
/反向間隙的產(chǎn)生原因/
數(shù)控機(jī)床在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的使用后，機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副會(huì)出現(xiàn)磨損，機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間出現(xiàn)間隙，稱為反向間隙。反向間隙表現(xiàn)為機(jī)床的定位精度以及重復(fù)定位不高，無(wú)法很好地保證加工中那些精度要求較高的尺寸，加工出的零件質(zhì)量狀態(tài)也不穩(wěn)定，具體原因如下。
（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)方面 主要有以下3個(gè)原因。
1）滾珠絲杠螺母副間隙。滾珠絲杠螺母副在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，滾珠與絲杠、螺母之間會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致間隙增大。裝配過(guò)程中，如果預(yù)緊力調(diào)整不當(dāng)，也會(huì)使?jié)L珠絲杠螺母副在使用過(guò)程中出現(xiàn)間隙。
2）導(dǎo)軌副間隙。機(jī)床導(dǎo)軌在長(zhǎng)時(shí)間使用后，導(dǎo)軌面會(huì)出現(xiàn)磨損，使得導(dǎo)軌副之間的間隙增大。導(dǎo)軌的潤(rùn)滑不良或者受到外界沖擊等因素，也會(huì)影響導(dǎo)軌副的精度，進(jìn)而產(chǎn)生間隙。
3）傳動(dòng)鏈中的間隙。齒輪、齒條等傳動(dòng)部件在長(zhǎng)期使用后，齒面會(huì)出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致傳動(dòng)鏈中的間隙增大。聯(lián)軸器等連接部件的松動(dòng)也會(huì)引起傳動(dòng)鏈中的間隙。
（2）控制系統(tǒng)方面 主要有以下2個(gè)原因。
1）伺服電動(dòng)機(jī)的滯后。伺服電動(dòng)機(jī)在響應(yīng)控制系統(tǒng)的指令時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的電氣特性和機(jī)械慣性等原因，會(huì)存在一定的滯后現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致反向間隙的出現(xiàn)。
2）控制系統(tǒng)的誤差。數(shù)控系統(tǒng)在計(jì)算和控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)由于算法的精度限制、傳感器的誤差等因素，產(chǎn)生一定的控制誤差，進(jìn)而影響機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，導(dǎo)致反向間隙。
反向間隙的不良影響
（1）對(duì)加工精度的影響 具體如下。
1）尺寸誤差。反向間隙會(huì)導(dǎo)致機(jī)床在正反向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，實(shí)際移動(dòng)距離與指令移動(dòng)距離之間存在偏差，從而使加工零件的尺寸出現(xiàn)誤差。對(duì)于高精度加工要求的零件，這種尺寸誤差可能會(huì)超出允許范圍，導(dǎo)致零件不合格。
2）形狀誤差。反向間隙還會(huì)影響機(jī)床在加工復(fù)雜形狀零件時(shí)的精度，使加工出的零件形狀出現(xiàn)偏差，如圓弧不圓、直線不直等。
3）表面質(zhì)量下降。由于反向間隙的存在，機(jī)床在加工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，從而影響加工表面質(zhì)量，使表面粗糙度值增大。
（2）對(duì)加工效率的影響 具體如下。
1）加工時(shí)間延長(zhǎng)。為了彌補(bǔ)反向間隙帶來(lái)的誤差，機(jī)床在加工過(guò)程中可能需要進(jìn)行多次調(diào)整和補(bǔ)償，這會(huì)延長(zhǎng)加工時(shí)間，降低加工效率。
2）刀具磨損加劇。反向間隙引起的振動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，會(huì)使刀具的磨損加劇，縮短刀具的使用壽命，增加刀具更換的頻率，進(jìn)一步降低加工效率。
/解決措施/
針對(duì)部分無(wú)法在系統(tǒng)參數(shù)中進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床，可以在加工時(shí)優(yōu)化加工路徑或者在程序中進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到消除反向間隙的目的。圖1為機(jī)床反向間隙產(chǎn)生原理。
圖1 機(jī)床反向間隙產(chǎn)生原理
為了消除間隙對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，將零件裝夾在A軸上，然后在程序中先轉(zhuǎn)動(dòng)20°，使間隙排在一側(cè)，加工第一面，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)180°，加工第二面。利用此方法，加工出的零件具有較好的平面度。
/機(jī)床反向間隙測(cè)量/
（1）千分表測(cè)量法 具體方法如下。
1）測(cè)量原理。將千分表固定在機(jī)床的工作臺(tái)上，使其測(cè)量頭與機(jī)床的移動(dòng)部件接觸。通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件，使千分表的測(cè)量頭在移動(dòng)部件的正反向運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生位移，從而測(cè)量出機(jī)床的反向間隙。
2）測(cè)量步驟。①選擇合適的位置將千分表固定在機(jī)床工作臺(tái)上，確保千分表的測(cè)量頭與機(jī)床移動(dòng)部件可靠接觸，并調(diào)整千分表指針歸零。②手動(dòng)移動(dòng)機(jī)床：通過(guò)手動(dòng)操作機(jī)床的移動(dòng)軸，使移動(dòng)部件在正反向運(yùn)動(dòng)中緩慢移動(dòng)，觀察千分表的讀數(shù)變化。③記錄數(shù)據(jù)：在移動(dòng)部件正反向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，記錄下千分表的最大讀數(shù)差值，即為反向間隙值。
（2）激光干涉儀測(cè)量法 具體方法如下。
1）測(cè)量原理。激光干涉儀利用激光的干涉原理，通過(guò)測(cè)量激光束在機(jī)床移動(dòng)部件正反向運(yùn)動(dòng)中的干涉條紋變化，來(lái)精確測(cè)量機(jī)床的反向間隙。
2）測(cè)量步驟。①將激光干涉儀的發(fā)射器和接收器分別安裝在機(jī)床的固定部分和移動(dòng)部分，調(diào)整光路使其平行于機(jī)床的移動(dòng)軸。②啟動(dòng)激光干涉儀：按照激光干涉儀的操作說(shuō)明，啟動(dòng)儀器并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。③測(cè)量數(shù)據(jù)：通過(guò)控制系統(tǒng)使機(jī)床的移動(dòng)部件在正反向運(yùn)動(dòng)中移動(dòng)，激光干涉儀會(huì)自動(dòng)記錄下移動(dòng)過(guò)程中的位移數(shù)據(jù)。④分析數(shù)據(jù)：根據(jù)激光干涉儀記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算出機(jī)床的反向間隙值。
（3）數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置測(cè)量功能 具體方法如下。
1）測(cè)量原理。一些先進(jìn)的 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)具有內(nèi)置的反向間隙測(cè)量功能。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)送特定的指令，使機(jī)床的移動(dòng)部件進(jìn)行正反向運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移數(shù)據(jù)，并計(jì)算出反向間隙值。
2）測(cè)量步驟。①進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，在數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面中，找到反向間隙測(cè)量功能的相關(guān)選項(xiàng)。②啟動(dòng)測(cè)量程序：按照系統(tǒng)提示，啟動(dòng)反向間隙測(cè)量程序。③等待測(cè)量完成：系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制機(jī)床的移動(dòng)部件進(jìn)行正反向運(yùn)動(dòng)，并記錄數(shù)據(jù)。測(cè)量完成后，系統(tǒng)會(huì)顯示出反向間隙值。
（4）測(cè)量案例 本文采取千分表測(cè)量法。測(cè)量選擇機(jī)床VMC1000，編號(hào)：36500XX，需要千分表一塊，以X軸為例，測(cè)量機(jī)床X軸的反向間隙，測(cè)量步驟如下。
1）設(shè)定坐標(biāo)系，將千分表固定在主軸上，按指令G90G1X-20；G1X0移動(dòng)，在X0處固定1定位塊，將千分表對(duì)零。
2）抬高Z值，按指令G1X50移動(dòng)。
3）按指令G1X0移動(dòng)，再降低主軸高度，使千分表再次跟定位塊接觸，記錄千分表的差值，這個(gè)差值就為機(jī)床在X軸方向的反向間隙值。
4）為了保證反向間隙測(cè)量的準(zhǔn)確值，重復(fù)上述步驟，最后取平均值。為了提高測(cè)量效率，可以編專用制數(shù)控程序。
%O001
G0G90G54X-20Y0
G1G43H1Z30F500
Z0F50
#1=0
N1X-20
X0
M0/（手動(dòng)將千分表對(duì)零）
Z30
X50
X0
Z0
G4P10
IF[#1LT5]GOTO1
G0G49Z0
M30%
/反向間隙補(bǔ)償?shù)姆椒?
（1）軟件補(bǔ)償法 具體方法如下。
1）補(bǔ)償原理。軟件補(bǔ)償法是通過(guò)修改數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床反向間隙的補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)床的移動(dòng)部件在正反向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的補(bǔ)償值自動(dòng)調(diào)整移動(dòng)距離，以消除反向間隙的影響。
2）補(bǔ)償步驟。①測(cè)量反向間隙：首先使用上述測(cè)量方法，準(zhǔn)確測(cè)量出機(jī)床各個(gè)軸的反向間隙值。②進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：在FANUC數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面中，找到與反向間隙補(bǔ)償相關(guān)的參數(shù)。③輸入補(bǔ)償值：將測(cè)量得到的反向間隙值輸入到相應(yīng)的參數(shù)中，保存設(shè)置。④驗(yàn)證補(bǔ)償效果：?jiǎn)?dòng)機(jī)床進(jìn)行加工測(cè)試，檢查加工零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，驗(yàn)證補(bǔ)償效果。如果補(bǔ)償效果不理想，可以適當(dāng)調(diào)整補(bǔ)償值，直到達(dá)到滿意的效果為止。
（2）硬件補(bǔ)償法 具體方法如下。
1）補(bǔ)償原理。硬件補(bǔ)償法是通過(guò)在機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)中增加補(bǔ)償裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反向間隙的補(bǔ)償。常見的硬件補(bǔ)償裝置有彈簧、橡膠墊、調(diào)整螺母等。這些補(bǔ)償裝置可以在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)與反向間隙相反的力或位移，從而消除反向間隙的影響。
2）補(bǔ)償步驟。①選擇補(bǔ)償裝置：根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和反向間隙的大小，選擇合適的硬件補(bǔ)償裝置。②安裝補(bǔ)償裝置：將補(bǔ)償裝置安裝在機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，確保安裝牢固可靠。③調(diào)整補(bǔ)償裝置：根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整補(bǔ)償裝置的參數(shù)，如彈簧的預(yù)緊力、調(diào)整螺母的位置等，以達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。④驗(yàn)證補(bǔ)償效果：與軟件補(bǔ)償法一樣，進(jìn)行加工測(cè)試，驗(yàn)證硬件補(bǔ)償?shù)男Ч?/span>
（３）補(bǔ)償案例 本文采取軟件補(bǔ)償法，具體方法如下。
1）在FANUC數(shù)控機(jī)床操作界面，依次選擇system、參數(shù)，輸入1851并檢索，在彈出的界面中對(duì)各個(gè)軸依次進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償，機(jī)床回參考點(diǎn)。
2）針對(duì)部分機(jī)床不可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模谛枰庸つ承┚纫筝^高的尺寸時(shí)，根據(jù)機(jī)床的間隙值大小，在程序中給予補(bǔ)償。由于反向間隙的存在，在編制數(shù)控程序時(shí)，比如鉆多個(gè)孔時(shí)，走刀路徑最好可以優(yōu)化為單向的，可以避免因?yàn)榉聪蜷g隙的存在，影響孔的位置精度。
/補(bǔ)償效果的驗(yàn)證與分析/
（1）驗(yàn)證方法 具體如下。
1）加工零件測(cè)試。選擇一些具有高精度要求的零件進(jìn)行加工，在補(bǔ)償前和補(bǔ)償后分別進(jìn)行加工，并比較加工零件的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。可以使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等精密測(cè)量設(shè)備，對(duì)加工零件進(jìn)行測(cè)量，以準(zhǔn)確評(píng)估補(bǔ)償效果。
2）精度測(cè)量。使用千分表、激光干涉儀等測(cè)量?jī)x器，對(duì)機(jī)床的移動(dòng)部件進(jìn)行精度測(cè)量。在補(bǔ)償前和補(bǔ)償后，分別測(cè)量機(jī)床在正反向運(yùn)動(dòng)中的位移精度，并比較測(cè)量結(jié)果。可以進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
（2）分析結(jié)果 如下所述。
1）補(bǔ)償效果良好。如果補(bǔ)償后的零件尺寸精度和表面質(zhì)量明顯提高，機(jī)床在正反向運(yùn)動(dòng)中的位移精度也有顯著改善，說(shuō)明反向間隙補(bǔ)償效果良好。可以進(jìn)一步分析補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)變化，評(píng)估補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。
2）補(bǔ)償效果不理想。如果補(bǔ)償后的零件仍然存在較大的尺寸誤差和形狀誤差，或者機(jī)床的位移精度沒有明顯提高，說(shuō)明反向間隙補(bǔ)償效果不理想。此時(shí)，需要重新檢查測(cè)量方法是否準(zhǔn)確、補(bǔ)償值是否正確、補(bǔ)償裝置是否安裝到位等因素，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。
/結(jié)束語(yǔ)/
反向間隙的存在影響了數(shù)控機(jī)床精度和產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量反向間隙，并根據(jù)實(shí)際情況采用合理的補(bǔ)償方法，可以有效地解決這些問(wèn)題。對(duì)一些使用年限較長(zhǎng)，加工精度不能滿足要求的機(jī)床進(jìn)行反向間隙的測(cè)定并且進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，從經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量保證方面都有著較為實(shí)際的意義。