引言

隨著機械制造技術的不斷發展，機床行業也已從過去的傳統機床向數控機床這一換代產品過渡并得到迅速發展。數控機床的普及率逐年上升，主要原因在于數控技術的優越性。數控技術是適用航空、造船、寧宙飛行、武器生產等國防工業的生產而發展起來的，它特別適用于加工精度高、幾何形狀復雜、尺寸繁多、改型頻繁的中小批量的機械零件生產。在國外從四十年代末期開始研究，隨著晶體管集成電路及計算技術的發展，于五十年代末六十年代初期開始用于生產，并且愈來愈多地得到推廣和應用。就我國目前制造業的技術水平及經濟發展狀況而論，經濟型數控機床是比較適合我國企業及相關行業使用，當前此類機床的占有率較高，多數屬于開環或半閉環控制系統，其加工精度很大程度受機床的機械精度影響，因而解決好由于機械間隙帶來的加工誤差問題，是保證加工質量的重要環節。

數控機床間隙誤差分析

間隙誤差

數控機床機械間隙誤差是指從機床運動鏈的首端至執行件全程由于機械間隙而引起的綜合誤差，如圖1所示。機床的進給鏈，其誤差來源于電機軸與齒軸由于鍵聯引起的間隙、齒輪副間隙、齒輪與絲杠間由鍵聯接引起的間隙、聯軸器中鍵聯接引起的間隙、絲杠螺母間隙等。機床反向間隙誤差是指由于機床傳動鏈中機械間隙的存在，機床執行件在運動過程中，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，最后反映為疊加至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空轉而工作臺無實際移動，此稱之為失動。如在g01切削運動時，反向偏差會影響插補運動的精度，若偏差過大就會造成“圓不夠圓，方不夠方” 的情形；而在goo快速定位運動中，反向偏差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降低。這樣的反向間隙若數值較小，對加工精度影響不大則不需要采取任何措施；若數值較大，則系統的穩定性明顯下降，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，此時必須進行反向間隙的測定和補償。特別是采用半閉環控制的數控機床，反向間隙會影響到定位精度和重復定位精度，這就需要我們平時在使用數控機床時，重視和研究反向間隙的產生因素、影響以及補償功能等，在學習和實踐中認真總結發現反向間隙自動補償過程中一些規律性的誤差，采取恰當加工措施，提高零件的加工精度。

間隙誤差的測量

為了很好的研究反向間隙誤差對于加工的影響，我們借助一個小型的三維坐標教學與實訓平臺。這個平臺集成有多軸運動控制器、電機及其驅動、電控箱、運動平臺等部件。機械裝置是一個采用滾珠絲杠傳動的模塊化十字工作平臺，用與實現目標軌跡和動作。執行裝置采用了步進電機，控制裝置由pc機、基于dsp閉環運動控制卡和相應的驅動器等組成。運動控制卡接受pc機發出的位置和軌跡指令，進行規劃處理，轉化成伺服驅動可以接受的指令格式，發給伺服驅動器，由伺服驅動器進行處理和放大，輸出給執行裝置。

選取其中的x軸，打開其中關于測量反向間隙的控制軟件（如圖2所示），開始測量該軸平臺在運動過程中的反向間隙誤差。

（1）通過手動調整使平臺置于合適的位置，一般靠近平臺的副段，并設置為工件原點。

（2）在運動距離輸入框中輸入需要測試的運動距離，再在反向間隙輸入框中輸入0，不進行間隙補償。

（3）按下正向點動按鈕，讓絲杠朝正方向運動一小段距離（大約10mm），然后點停止運動。

（4）按下測試按鈕，系統會自動根據輸入的測試距離進行測試，最后顯示測試結果。

（5）重復以上動作，多次測量反向間隙。得到x軸正方向運動的反向間隙值。

（6）用以上的方法，按下反向點動按鈕，測試x軸反方向運動的反向間隙，測量結果如表1所示。

（7）算出兩組數據的平均值作分別為：x軸正方向運動的反向間隙為-0.482，x軸反方向運動的反向間隙為0.480。

數控機床間隙誤差補償

針對數控機床自身的特點及使用要求，一般的數控系統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、機械反向間隙參數補償等各種自動補償功能。其中機械反向間隙參數補償法是目前開環、半閉環系統常用的方法之一。這種方法，原理是通過實測機床反向間隙誤差值，利用機床控制系統中設置的系統參數來實現間隙誤差的自動補償。其過程為： 實測各運動軸的間隙誤差值，然后通過控制面板鍵入控制單元即可，以后機床走刀時，首先在相應方向（ 如縱身走刀或橫向走刀） 反向走刀時，先走間隙值， 然后再走所需的數值，因而原先的間隙誤差就得以補償。由于這種方法是利用一個控制程序控制所有程序中的反向走刀量，因此只要輸入有限的幾個間隙值就可以補償所有加工過程中的間隙誤差，此方法簡單易行，對加工程序的編寫也沒有影響。

具體操作：在如圖2所示的反向間隙輸入框中加入前面求出的反向間隙補償值，再測量補償精度。但是此方法的控制依據是實測得的各運動軸的間隙誤差值，因此受測量誤差的影響。

其存在以下不足之處：

⑴由于運動鍵中絲杠與螺母之間的間隙值在絲杠全長呈非線性關系， 因此以一個測量值代表共綜合間隙誤差是不合理的，加上測量間隙值時存在誤差，因此這種補償法準確度較低；

⑵一般進給鏈的綜合間隙誤差是在靜態條件下測出的，而機床實際是在動態環境下工作的，因而靜態誤差與動態誤差有較大差別。因此這種補償法不能真實補償實際誤差；

⑶不能補償因切削力引起的誤差。

結束語

綜上所述，反向間隙誤差補償是數控機床保證其加工精度的重要手段。系統參數補償法不影響加工程序的編寫，易操作，簡單明了，在一定范圍內具有一定的效果，但局限性較大。加工程序補償法效果較好，適用于開環、半閉環系統，特別是對沒有補償功能的系統具有較大的實際作用。但這種方法，增加了零件加工編程的復雜性，對使用人員的編程技巧有較高要求。

反向間隙值輸入數控系統后，數控機床在加工時會自動補償此值。但隨著數控機床的長期使用，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、工件加工精度產生的不良影響。

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