数控机床反向间隙和定位精度的检测与补偿

黄 祥

一、反向间隙

由于机床传动链机械间隙的存在，机床在运动过程中，从正向运动变为反向运动时，执行件的运动量与理论值(编程值)存在误差，形成反向间隙。反向间隙的存在会影响到机床的定位精度和重复定位精度，最后反映至工件的加工精度和误差。如在G01切削运动时，反向间隙会影响插补运动的精度，若偏差过大就会产生“圆不圆、方不方”的情况，而在G00快速定位运动中，反向间隙影响机床的定位精度，使得钻孔、镗孔等孔加工时各孔间的位置精度下降。若反向间隙数值较小，对加工精度影响不大，则不需要采取任何措施；若数值较大，则系统的稳定性明显下降，加工精度明显降低,尤其是曲线加工，会影响到尺寸公差和曲线的一致性，特别是采用半闭环控制的数控机床，必须进行反向间隙的测定和补偿。

1.反向间隙检测

在所测量的坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再向相反方向移动相同距离，测量停止位置和基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的3个位置分别进行多次测定（一般为7次），求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向间隙测量值。在测量时一定要先移动一段距离，否则不能得到正确的反向间隙值。

测量直线运动轴的反向间隙时，测量工具通常采用千分表或百分表，若条件允许，可使用双频激光干涉仪。当采用千分表或百分表进行测量时，需要注意的是表座和表杆不要伸出过高过长，因为测量时由于悬臂较长，表座易受力移动，造成计数不准，补偿值也就不真实。若采用编程法实现测量，则能使测量过程变得更便捷、更精确。

例如：在3坐标立式机床上测量X轴的反向间隙，可先将表压住主轴的圆柱表面，然后可运行如下程序进行测量：

N10 G91 G01 X50 F1000；工作台右移

N20 X-50；工作台左移，消除传动间隙

N30 G04 X5；暂停以便观察

N40 Z50；Z 轴抬高

N50 X-50；工作台左移

N60 X50；工作台右移复位

N70 Z-50；Z 轴复位

N80 G04 X5；暂停以便观察

N90 M99；

工作台在不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下，低速时测出值要比高速的大，特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时，低速运动时工作台运动速度较低，运动惯性较低，因此测得值较大；在高速运动时，工作台运动速度较高，运动惯性较大，因此测得值较小。

2.反向间隙补偿

一般数控机床的数控系统都具有常用的补偿功能，如对刀点位置偏差补偿、刀具半径补偿、刀位半径补偿和机械反向间隙参数补偿等各种自动补偿功能。通常数控装置内存中设有若干个地址，专供存储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改变运动方向时，数控装置会自动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿和修正，使机床准确地定位在指令位置上，消除或减小反向间隙对机床精度的不利影响，对加工程序的编写也没有影响。

对于没有补偿功能的机床，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙，在机械部分不变的情况下，只要低速单向定位到达插补起始点，然后再进行插补加工。插补进给中遇反向时，进给反向间隙值再正式插补，即可提高插补加工的精度，基本上可以保证零件的公差要求。

随着数控机床的长期使用，反向间隙会因运动副磨损而逐渐增大，因此必须定期对数控机床的反向间隙值进行测定和补偿，从而大大减少或消除反向间隙对机床精度与工件加工精度产生的不良影响。

二、定位精度

数控机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床的切削精度产生重要影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判断出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的重要途径。

1.定位精度检测

目前多采用双频激光干涉仪对机床检测和处理分析，利用激光干涉仪原理，以激光实时波长为测量基准，所以提高了测试精度及增强了适用范围。激光干涉测量原理，如图1所示。

图1中1是激光器，2是λ/4片，分光器3、4和10为检偏器，5和11是接受器，6是偏振分光器，7和8是反射镜，9为棱镜。单频He-Ne激光器置于永久磁场中，由于塞曼效应使激光的原子谱线分裂为一对旋转方向相反的左右圆偏振光，若两束光的振幅相同，其频率分别为f1，f2，且相差很小，左右圆偏振光经λ/4片后变为振动方向互相垂直的线偏振光，分光器将其中一部分反射，经检偏器形成f1、f2拍频信号，接收器接收作为参考信号，通过分光器的光束进入偏振分光器，偏振分光器让平行于分光面的频率为f2的线偏振光完全通过，并到达可动反射镜，当可动反射镜以速度V移动时，由于多普勒效应便可产生差频Δf，f2即变为f2+Δf；偏振分光器把垂直于分光面的频率为f1的线偏振光完全折反到固定反射镜，这两束光反射至偏振分光器的分光面会合，经转向棱镜再经检偏器由接收器接收作为测量信号，测量信号与参考信号相减即得多普勒频率差Δf。计数器在时间t内计取频率为Δf的脉冲数N，相当于在t区间内对Δf的积分，即，故测量距离，其中N是累计脉冲数，λ是激光波长，C是光速。

当可动反射镜移动时，可通过累计脉冲数得到移动距离，当把该移动距离与被标测机床的光栅尺读数相比较，可得定位精度误差。检测方法如下：

（1）安装双频激光干涉仪；

（2）在需要测量的机床坐标轴方向上安装光学测量装置；

（3）调整激光头，使测量轴线与机床移动轴线共线或平行；

（4）待激光预热后输入测量参数；

（5）按规定的测量程序运行机床进行测量；

（6）数据处理及结果输出。

作为一种检测仪器，它在运行过程中有些因素会影响到测量数值，给测量结果带来负面影响。用双频激光干涉仪检验数控机床定位的精度，其测量误差主要来源于双频激光干涉仪的极限误差、安装误差和温度误差。

2.定位精度的补偿

若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围，则必须对机床进行误差补偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表，手动输入机床CNC系统，从而消除定位误差，由于数控机床3轴或4轴补偿点可能有几百上千点，所以手动补偿需要花费较多时间，并且容易出错。

现在通过RS232接口将计算机与机床CNC控制器连接起来，用VB编写的自动校准软件控制激光干涉仪与数控机床同步工作，实现对数控机床定位精度的自动检测及自动螺距误差补偿，其补偿方法如下：

（1）备份CNC控制系统中的已有补偿参数；

（2）由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC程序，并传送给CNC系统；

（3）自动测量各点的定位误差；

（4）根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数，并传送给CNC系统，螺距自动补偿完成；

（5）重复（3）进行精度验证。

三、结语

采用以上方法对机床各坐标轴反向间隙、定位精度进行准确测量和补偿，可以有效地减小或消除其对机床精度的不利影响，提高机床的位置精度，从而保证零件的加工精度。

W 11.12-15