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      摘要：以H N C -21M 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究數(shù)控機(jī)床的螺距誤差和反向間隙誤差存在的原因和進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)脑怼Ｔ谲浖a(bǔ)償原理的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)以100m m 為步長(zhǎng)，測(cè)試5 個(gè)不同位置機(jī)床實(shí)際移動(dòng)距離，通過(guò)計(jì)算得到了平均螺距誤差為0.058m m 和反向間隙誤差0.11m m ，為下一步工作提供必要的基礎(chǔ)。同時(shí)提出基于華中數(shù)控系統(tǒng)的具體軟件補(bǔ)償?shù)姆桨负筒襟E，試驗(yàn)表明通過(guò)該方法可以將數(shù)控機(jī)床的加工精度提高至0.0005m m 。

      關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；螺距誤差；反向間隙；N C

      1 、引言

     數(shù)控機(jī)床通常長(zhǎng)期工作在高速或重載的情況下,由于機(jī)械部件的磨損、老化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了機(jī)床的加工精度和質(zhì)量。因此，針對(duì)數(shù)控機(jī)床磨損進(jìn)行檢測(cè)和維修是非常重要的。對(duì)于數(shù)控機(jī)床磨損問(wèn)題，通常采用對(duì)磨損部件直接替換的方案，該類方案成本高、時(shí)間長(zhǎng)而且嚴(yán)重影響機(jī)床的工作效率。在大負(fù)載工況下數(shù)控銑床長(zhǎng)時(shí)間工作后，機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的反向間隙和螺距誤差等因素是降低機(jī)床精度的重要原因。針對(duì)數(shù)控機(jī)床在使用過(guò)程中的這兩個(gè)主要的誤差，本文以華中數(shù)控銑床HNC-21MD 為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)霓k法提高數(shù)控機(jī)床的精度。

      2 、試驗(yàn)原理與方法

      2.1 螺距補(bǔ)償原理

     通常，數(shù)控機(jī)床由機(jī)械部分、電子硬件部分、軟件部分組成，只有三者穩(wěn)定的狀態(tài)才能很好地發(fā)揮數(shù)控機(jī)床高精度、高效率的特性。然而，一臺(tái)數(shù)控設(shè)備經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，很多移動(dòng)部件都發(fā)生了不同程度的磨損，其位置精度都會(huì)發(fā)生變化。即使未到大修年限，一般精密級(jí)的數(shù)控機(jī)床也會(huì)重新進(jìn)行位置精度的測(cè)量及補(bǔ)償。下面著重介紹精度補(bǔ)償?shù)囊话阈栽砑胺椒ā?/font>

     如圖1 所示，數(shù)控機(jī)床軟件補(bǔ)償?shù)囊话阍硎窃跈C(jī)床無(wú)加工負(fù)載的情況下，首先取消已有的補(bǔ)償參數(shù)，在機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)方向的可測(cè)量范圍內(nèi)，先將測(cè)量距離平均分為多個(gè)等分段。然后，將機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)到每個(gè)目標(biāo)等分位置di，并測(cè)量出工作臺(tái)的實(shí)際移動(dòng)距離和目標(biāo)移動(dòng)距離的平均位置偏差de，把平均位置偏差，添加到數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)系統(tǒng)中，完成軟件補(bǔ)償。具體的方法如圖1 所示，機(jī)床按照相關(guān)指令驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)沿X 軸或Y 軸運(yùn)動(dòng)到理想位置距離dg，而工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的位置距離為da，測(cè)量出該位置的平均偏差為de；將de 輸入數(shù)控系統(tǒng)中，完成插補(bǔ)的NC 系統(tǒng)，在移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)會(huì)將誤差de 平均疊加相關(guān)移動(dòng)指令中，而工作臺(tái)的實(shí)際移動(dòng)距離就為： da=dg+de （1）通過(guò)式（1）的方法，軟件補(bǔ)償可以使誤差部分抵消，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。

      2.2 反向間隙補(bǔ)償原理

      如圖2 所示，由于數(shù)控機(jī)床的磨損，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尤其齒輪會(huì)產(chǎn)生間隙，機(jī)床工作臺(tái)沿著某個(gè)方向前進(jìn)后，反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于反向間隙的緣故，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而工作臺(tái)不移動(dòng)的現(xiàn)象，為此采用反向間隙補(bǔ)償?shù)姆桨竵?lái)提高機(jī)床的加工精度。反向間隙補(bǔ)償原理的前提條件是機(jī)床沒(méi)有軟件補(bǔ)償、無(wú)負(fù)載；在機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)方向的可測(cè)量范圍內(nèi)，先將測(cè)量距離平均分為多個(gè)等分段，測(cè)量出理想位置dm 的平均反向差值A(chǔ)，把平均位置偏差添加到數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)系統(tǒng)中，完成軟件反向間隙補(bǔ)償。完成補(bǔ)償后，數(shù)控軟件系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)補(bǔ)償數(shù)值，預(yù)先讓工作臺(tái)反向移動(dòng)A 值，然后按設(shè)定的機(jī)器代碼繼續(xù)工作。按照上述方向間隙補(bǔ)償原理，機(jī)床反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)會(huì)先反向移動(dòng)A 距離，后運(yùn)動(dòng)指令dm 距離；那么在此期間數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離L＝dm+A （2）

     3 、試驗(yàn)

     HNC-21MD 數(shù)控銑床配置華中數(shù)控世紀(jì)星系統(tǒng)，其X 軸精度大幅降低，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在螺距誤差和反向間隙誤差。為了延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命和提高機(jī)床的精度。采用光柵尺進(jìn)行機(jī)床的實(shí)際移動(dòng)距離測(cè)量。以100mm 為步長(zhǎng)，測(cè)試機(jī)床沿著X 軸方向的實(shí)際移動(dòng)距離。圖3 為機(jī)床的實(shí)際移動(dòng)距離和誤差值。

     從圖3 可知，數(shù)控機(jī)床沿著X 軸方向前進(jìn)時(shí)，存在0.058mm 的螺距平均誤差，其值變化平緩，不存在較大的突變，可以通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修補(bǔ)。

      采用同樣的設(shè)備，測(cè)量5 次機(jī)床沿著X 軸反方向移動(dòng)步長(zhǎng)為100mm 時(shí)機(jī)床NC 界面的指令運(yùn)動(dòng)尺寸，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式（2）進(jìn)行處理，得到5 次平均反向間隙誤差為0.11mm。
 

      表1 反向間隙誤差測(cè)量數(shù)據(jù)

       4 、軟件誤差補(bǔ)償方法

     如圖4 所示，在進(jìn)行測(cè)量前，首先要確定相關(guān)修改的權(quán)限，軸補(bǔ)償參數(shù)系統(tǒng)等軟件的打開(kāi)。開(kāi)啟HNC-21M 華中數(shù)控銑床后，先進(jìn)入“參數(shù)”設(shè)置界面，輸入數(shù)控系統(tǒng)的安全保護(hù)密碼；分別按下數(shù)控廠家參數(shù)、參數(shù)索引、軸補(bǔ)償參數(shù)等按鍵；選擇要補(bǔ)償?shù)腦 軸，打開(kāi)X 軸軟件補(bǔ)償面。依據(jù)上述的補(bǔ)償原理，先將系統(tǒng)中已有的螺距補(bǔ)償、反向間隙等參數(shù)清空為零。

     將光柵尺安裝于置于機(jī)床的工作臺(tái)中間位置，同時(shí)通過(guò)打表等方式確保光柵尺與移動(dòng)方向?qū)к壍钠叫卸日`差應(yīng)該小于0.02mm。

      在使工作臺(tái)沿X 軸移動(dòng)時(shí)，先讓工作臺(tái)處于Y 軸的中間位置，然后移動(dòng)到機(jī)床的O 點(diǎn)；在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到指令位置時(shí)，程序設(shè)置停留數(shù)秒，以方便讀數(shù)和記錄。同時(shí)為了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，按照上述方法測(cè)量多次，并將數(shù)據(jù)填寫到相關(guān)的表格中。

     按照式（1）、（2）計(jì)算出相關(guān)誤差。如圖5 所示，然后將平均反向間隙誤差A(yù) 和平均位置偏差de 輸入軟件軸補(bǔ)償參數(shù)表。

      5 、驗(yàn)證試驗(yàn)

     通過(guò)上述方法進(jìn)行軟件補(bǔ)償之后，重啟系統(tǒng)。利用同樣的試驗(yàn)方案，測(cè)試機(jī)床的加工精度。同樣以100mm 為步長(zhǎng)，通過(guò)光柵尺檢測(cè)6 個(gè)點(diǎn)工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的位置，圖6 為補(bǔ)償前后的精度對(duì)比。

     從圖6 可知，通過(guò)上述軟件補(bǔ)償方法，機(jī)床的平均精度為0.0005mm，達(dá)到了預(yù)期效果，極大地提高了舊機(jī)床的工作精度。

     6 、結(jié)語(yǔ)

    由于機(jī)床的磨損，機(jī)床存在螺距誤差和反向間隙誤差。該文通過(guò)分析誤差存在的原因和軟件補(bǔ)償?shù)脑?，基于HNC-21M 系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，計(jì)算出機(jī)床的誤差。驗(yàn)證試驗(yàn)表明， 軟件補(bǔ)償可以將機(jī)床的精度提高為0.0005mm，有效提高了機(jī)床壽命和加工精度。