徐 杰

(江蘇省常熟職業(yè)教育中心校，江蘇 常熟 215500)

數(shù)控機(jī)床在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，但在實(shí)際加工過程，往往有多種因素會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的加工精度，操作者經(jīng)常會(huì)遇到反向間隙導(dǎo)致的加工誤差，導(dǎo)致加工工件達(dá)不到要求精度。

1 反向間隙

大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用滾珠絲杠傳動(dòng)，而滾珠和絲杠之間必然有一定的間隙，當(dāng)數(shù)控機(jī)床上的伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)了一段時(shí)間停止后，如果發(fā)出反轉(zhuǎn)命令，此時(shí)可能在一段較短的時(shí)間內(nèi)，工作臺(tái)必須要等絲杠間隙消除(受力一側(cè)的)以后才能正常帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，此時(shí)的現(xiàn)象是工作臺(tái)沒有任何移動(dòng)，但是電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿在旋轉(zhuǎn)，這個(gè)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(duì)加工的影響

機(jī)床反向間隙誤差是指由于數(shù)控機(jī)床的滾珠和絲杠之間有一定的間隙，機(jī)床的工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中從正向運(yùn)動(dòng)變?yōu)榉聪蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)量與理論值(編程值)存在誤差。在實(shí)際加工過程中，反映為工件上的加工精度的誤差。當(dāng)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上換向時(shí)，由于反向間隙的存在，會(huì)導(dǎo)致伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)而工作臺(tái)沒有實(shí)際移動(dòng)，稱之為失動(dòng)。反向間隙的存在會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的定位精度及重復(fù)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(chǎn)品的加工精度。

例如：在某個(gè)方形的工件上鉆4個(gè)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(gè)定位、鉆孔，圖2(b)按照1-2-3-4-5的路徑來定位、鉆孔，實(shí)際加工完成后，檢測發(fā)現(xiàn)采用圖2(b)加工工藝的產(chǎn)品是合格的，采用圖2(a)加工工藝的產(chǎn)品，孔Ⅰ、孔Ⅱ、孔Ⅲ沒有問題，但是孔Ⅳ的位置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。產(chǎn)生偏差的原因是數(shù)控機(jī)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(jī)首先要空轉(zhuǎn)，消除反向間隙，然后再移動(dòng)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(zhǔn)，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(shù)控機(jī)床的反向間隙，常規(guī)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(jìn)行測量，這樣測量得到的結(jié)果更加精準(zhǔn)。但是激光干涉儀價(jià)格比較昂貴，所以通常使用千分表或百分表進(jìn)行測量。測量方法是手動(dòng)測量或自動(dòng)測量。手動(dòng)測量非常直觀，通過手動(dòng)搖手輪來實(shí)現(xiàn)測量，但是容易出現(xiàn)人為偏差。自動(dòng)測量是通過運(yùn)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(dòng)測量反向間隙的步驟：使運(yùn)動(dòng)部件從起始位置向負(fù)方向移動(dòng)100 mm左右。把千分表或者百分表觸頭對(duì)準(zhǔn)移動(dòng)部件正側(cè)一方，表針對(duì)零。使運(yùn)動(dòng)部件從停留位置再向負(fù)方向移動(dòng)100 mm左右，使運(yùn)動(dòng)部件從新的停留位置再向正方向移動(dòng)100 mm左右，讀出此時(shí)千分表或百分表的數(shù)值，此數(shù)值就是反向偏差。

自動(dòng)測量反向間隙的步驟：上述動(dòng)作可通過編寫一段簡單程序來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)行。運(yùn)行到第4步時(shí)，為了讀數(shù)方便，可以延時(shí)5 s。N10 G98 G01 U-10 F200，工作臺(tái)左移。N20 M00，裝夾百分表或者千分表，將表針對(duì)零。N30 U-50，工作臺(tái)繼續(xù)左移。N40 U50，工作臺(tái)右移復(fù)位。N50 G04 X5，暫停，讀數(shù)。N60 M30，程序結(jié)束。

在靠近行程的兩端以及中點(diǎn)三個(gè)位置，分別進(jìn)行多次測定(一般為五次)，求出各個(gè)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(huì)有一定的偏差，特別是在機(jī)床軸負(fù)荷較大、運(yùn)動(dòng)阻力較大時(shí)，高速的反向間隙值要比低速的反向間隙值小。不同數(shù)控系統(tǒng)有不同的設(shè)置方法，以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，提供了高速G00和低速G01兩個(gè)補(bǔ)償值。上述的兩種方法對(duì)應(yīng)的是低速G01反向間隙的設(shè)置方法。測量高速G00的反向間隙補(bǔ)償量，必須通過運(yùn)行程序來自動(dòng)測量，程序如下所示。N10 G98 G00 U-10，工作臺(tái)快速左移。N20 M00，裝夾百分表，將表針對(duì)零。N30 U-50，工作臺(tái)繼續(xù)左移。N40 U50，工作臺(tái)右移復(fù)位。N50 G04 X5，暫停，讀數(shù)。N60 M30，程序結(jié)束。

4 反向間隙的補(bǔ)償

根據(jù)實(shí)測出的各軸反向偏差值，分別補(bǔ)償?shù)礁鬏S對(duì)應(yīng)的參數(shù)號(hào)中。以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，相關(guān)參數(shù)主要有3個(gè)。

第一，是否進(jìn)行快速移動(dòng)的反向間隙補(bǔ)償(1800#4)。此參數(shù)設(shè)置為0是，只需設(shè)置1851一個(gè)參數(shù)。此參數(shù)為1時(shí)，分別要設(shè)置低速反向間隙補(bǔ)償量(1851)以及高速反向間隙補(bǔ)償量(1852)這2個(gè)參數(shù)。

第二，每個(gè)軸的反向間隙補(bǔ)償量(1851)。此參數(shù)對(duì)應(yīng)低速反向間隙補(bǔ)償量。將測量得到的反向間隙數(shù)值輸入到此參數(shù)中，此參數(shù)的單位一般為0.001 mm。

第三，每個(gè)軸的快速移動(dòng)反向間隙補(bǔ)償量(1852)。此參數(shù)對(duì)應(yīng)高速反向間隙補(bǔ)償量。將測量得到的反向間隙數(shù)值輸入到此參數(shù)中，此參數(shù)的單位一般為0.001 mm。此參數(shù)與參數(shù)1800#4相關(guān)，若1800#4為1，此參數(shù)生效；若1800#4為0，則此參數(shù)無效。

參數(shù)設(shè)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(shí)的反向偏差量是否在允許范圍內(nèi)。如果在允許偏差范圍內(nèi)，則表示反向間隙設(shè)定與調(diào)整已經(jīng)完成。若偏差過大，不符合數(shù)控機(jī)床的要求，則再次進(jìn)行反向間隙的設(shè)定，直至反向偏差量在數(shù)控機(jī)床允許的范圍內(nèi)為止。

5 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床反向間隙的測量與補(bǔ)償是數(shù)控機(jī)床維護(hù)與保養(yǎng)中比較基礎(chǔ)的一個(gè)項(xiàng)目，可以使操作者能更好地調(diào)整機(jī)床的機(jī)械性能，使機(jī)床保持良好的加工精度，對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。