黃 祥

一、反向間隙

由于機床傳動鏈機械間隙的存在，機床在運動過程中，從正向運動變?yōu)榉聪蜻\動時，執(zhí)行件的運動量與理論值(編程值)存在誤差，形成反向間隙。反向間隙的存在會影響到機床的定位精度和重復(fù)定位精度，最后反映至工件的加工精度和誤差。如在G01切削運動時，反向間隙會影響插補運動的精度，若偏差過大就會產(chǎn)生“圓不圓、方不方”的情況，而在G00快速定位運動中，反向間隙影響機床的定位精度，使得鉆孔、鏜孔等孔加工時各孔間的位置精度下降。若反向間隙數(shù)值較小，對加工精度影響不大，則不需要采取任何措施；若數(shù)值較大，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯下降，加工精度明顯降低,尤其是曲線加工，會影響到尺寸公差和曲線的一致性，特別是采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機床，必須進行反向間隙的測定和補償。

1.反向間隙檢測

在所測量的坐標(biāo)軸的行程內(nèi)，預(yù)先向正向或反向移動一個距離并以此停止位置為基準(zhǔn)，再在同一方向給予一定移動指令值，使之移動一段距離，然后再向相反方向移動相同距離，測量停止位置和基準(zhǔn)位置之差。在靠近行程的中點及兩端的3個位置分別進行多次測定（一般為7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間隙測量值。在測量時一定要先移動一段距離，否則不能得到正確的反向間隙值。

測量直線運動軸的反向間隙時，測量工具通常采用千分表或百分表，若條件允許，可使用雙頻激光干涉儀。當(dāng)采用千分表或百分表進行測量時，需要注意的是表座和表桿不要伸出過高過長，因為測量時由于懸臂較長，表座易受力移動，造成計數(shù)不準(zhǔn)，補償值也就不真實。若采用編程法實現(xiàn)測量，則能使測量過程變得更便捷、更精確。

例如：在3坐標(biāo)立式機床上測量X軸的反向間隙，可先將表壓住主軸的圓柱表面，然后可運行如下程序進行測量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作臺右移

N20 X-50；工作臺左移，消除傳動間隙

N30 G04 X5；暫停以便觀察

N40 Z50；Z 軸抬高

N50 X-50；工作臺左移

N60 X50；工作臺右移復(fù)位

N70 Z-50；Z 軸復(fù)位

N80 G04 X5；暫停以便觀察

N90 M99；

工作臺在不同的運行速度下所測出的結(jié)果會有所不同。一般情況下，低速時測出值要比高速的大，特別是在機床軸負荷和運動阻力較大時，低速運動時工作臺運動速度較低，運動慣性較低，因此測得值較大；在高速運動時，工作臺運動速度較高，運動慣性較大，因此測得值較小。

2.反向間隙補償

一般數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)都具有常用的補償功能，如對刀點位置偏差補償、刀具半徑補償、刀位半徑補償和機械反向間隙參數(shù)補償?shù)雀鞣N自動補償功能。通常數(shù)控裝置內(nèi)存中設(shè)有若干個地址，專供存儲各軸的反向間隙值。當(dāng)機床的某個軸被指令改變運動方向時，數(shù)控裝置會自動讀取該軸的反向間隙值，對坐標(biāo)位移指令值進行補償和修正，使機床準(zhǔn)確地定位在指令位置上，消除或減小反向間隙對機床精度的不利影響，對加工程序的編寫也沒有影響。

對于沒有補償功能的機床，可用編程法實現(xiàn)單向定位，清除反向間隙，在機械部分不變的情況下，只要低速單向定位到達插補起始點，然后再進行插補加工。插補進給中遇反向時，進給反向間隙值再正式插補，即可提高插補加工的精度，基本上可以保證零件的公差要求。

隨著數(shù)控機床的長期使用，反向間隙會因運動副磨損而逐漸增大，因此必須定期對數(shù)控機床的反向間隙值進行測定和補償，從而大大減少或消除反向間隙對機床精度與工件加工精度產(chǎn)生的不良影響。

二、定位精度

數(shù)控機床的定位精度是指所測量的機床運動部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運動所能達到的位置精度，是數(shù)控機床有別于普通機床的一項重要精度，它與機床的幾何精度共同對機床的切削精度產(chǎn)生重要影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。一臺數(shù)控機床可以從它所能達到的定位精度判斷出它的加工精度，所以對數(shù)控機床的定位精度進行檢測和補償是保證加工質(zhì)量的重要途徑。

1.定位精度檢測

目前多采用雙頻激光干涉儀對機床檢測和處理分析，利用激光干涉儀原理，以激光實時波長為測量基準(zhǔn)，所以提高了測試精度及增強了適用范圍。激光干涉測量原理，如圖1所示。

圖1中1是激光器，2是λ/4片，分光器3、4和10為檢偏器，5和11是接受器，6是偏振分光器，7和8是反射鏡，9為棱鏡。單頻He-Ne激光器置于永久磁場中，由于塞曼效應(yīng)使激光的原子譜線分裂為一對旋轉(zhuǎn)方向相反的左右圓偏振光，若兩束光的振幅相同，其頻率分別為f1，f2，且相差很小，左右圓偏振光經(jīng)λ/4片后變?yōu)檎駝臃较蚧ハ啻怪钡木€偏振光，分光器將其中一部分反射，經(jīng)檢偏器形成f1、f2拍頻信號，接收器接收作為參考信號，通過分光器的光束進入偏振分光器，偏振分光器讓平行于分光面的頻率為f2的線偏振光完全通過，并到達可動反射鏡，當(dāng)可動反射鏡以速度V移動時，由于多普勒效應(yīng)便可產(chǎn)生差頻Δf，f2即變?yōu)閒2+Δf；偏振分光器把垂直于分光面的頻率為f1的線偏振光完全折反到固定反射鏡，這兩束光反射至偏振分光器的分光面會合，經(jīng)轉(zhuǎn)向棱鏡再經(jīng)檢偏器由接收器接收作為測量信號，測量信號與參考信號相減即得多普勒頻率差Δf。計數(shù)器在時間t內(nèi)計取頻率為Δf的脈沖數(shù)N，相當(dāng)于在t區(qū)間內(nèi)對Δf的積分，即，故測量距離，其中N是累計脈沖數(shù)，λ是激光波長，C是光速。

當(dāng)可動反射鏡移動時，可通過累計脈沖數(shù)得到移動距離，當(dāng)把該移動距離與被標(biāo)測機床的光柵尺讀數(shù)相比較，可得定位精度誤差。檢測方法如下：

（1）安裝雙頻激光干涉儀；

（2）在需要測量的機床坐標(biāo)軸方向上安裝光學(xué)測量裝置；

（3）調(diào)整激光頭，使測量軸線與機床移動軸線共線或平行；

（4）待激光預(yù)熱后輸入測量參數(shù)；

（5）按規(guī)定的測量程序運行機床進行測量；

（6）數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出。

作為一種檢測儀器，它在運行過程中有些因素會影響到測量數(shù)值，給測量結(jié)果帶來負面影響。用雙頻激光干涉儀檢驗數(shù)控機床定位的精度，其測量誤差主要來源于雙頻激光干涉儀的極限誤差、安裝誤差和溫度誤差。

2.定位精度的補償

若測得數(shù)控機床的定位誤差超出誤差允許范圍，則必須對機床進行誤差補償。常用方法是計算出螺距誤差補償表，手動輸入機床CNC系統(tǒng)，從而消除定位誤差，由于數(shù)控機床3軸或4軸補償點可能有幾百上千點，所以手動補償需要花費較多時間，并且容易出錯。

現(xiàn)在通過RS232接口將計算機與機床CNC控制器連接起來，用VB編寫的自動校準(zhǔn)軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機床同步工作，實現(xiàn)對數(shù)控機床定位精度的自動檢測及自動螺距誤差補償，其補償方法如下：

（1）備份CNC控制系統(tǒng)中的已有補償參數(shù)；

（2）由計算機產(chǎn)生進行逐點定位精度測量的機床CNC程序，并傳送給CNC系統(tǒng)；

（3）自動測量各點的定位誤差；

（4）根據(jù)指定的補償點產(chǎn)生一組新的補償參數(shù)，并傳送給CNC系統(tǒng)，螺距自動補償完成；

（5）重復(fù)（3）進行精度驗證。

三、結(jié)語

采用以上方法對機床各坐標(biāo)軸反向間隙、定位精度進行準(zhǔn)確測量和補償，可以有效地減小或消除其對機床精度的不利影響，提高機床的位置精度，從而保證零件的加工精度。

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