基于球杆仪的立式数控铣床反向间隙检测

魏进

摘要：数控机床的反向间隙的检测对于提高机床加工精度有着重要意义，本文以凯恩帝K2000MCi立式数控铣床系统为待检设备，应用Rennishaw Ballbar20在XY平面进行反向间隙检测，并对检测结果进行分析。实验表明，利用球杆仪进行检测，可以快速、高效的得出检测结果，指导机床维修人员调整机械安装、电气参数来减少机床反向间隙，提高机床精度。

Abstract： The detection of the reverse clearance of CNC machine tools is of great significance to improve the machining accuracy of machine tools. In this paper， Kandi k2000mci vertical CNC milling machine system is used as the equipment to be inspected， and rennishaw ballbar20 is applied to detect the reverse clearance in XY plane， and the detection results are analyzed. The experiment shows that the ball bar instrument can quickly and efficiently obtain the test results， guide the machine maintenance personnel to adjust the mechanical installation and electrical parameters to reduce the reverse clearance of the machine tool and improve the accuracy of the machine tool.

关键词：数控铣床;球杆仪;反向间隙

Key words： CNC milling machine;ball bar instrument;reverse clearance

0  引言

数控机床是现代工业的“母机”，现代数控机床性能朝着高转速、高进给及高精度的方向发展，由于反向间隙的存在，使机床运动过程中实际运动和指令信号之间存在严重的滞后现象，所以会影响机床的定位精度。另外，反向间隙也影响机床相应的快速性。因此，本文将反向间隙的形成进行分析，结合球杆仪，提出一种对反向间隙补偿的测量方法。

1  反向间隙分析

数控机床的传动链是由执行机构通过驱动丝杠螺母带动工作台进行运动。数控机床的反向间隙是数控机床在装配和使用过程中磨损机械传动链如滚珠丝杠反向间隙、齿轮副间隙、联轴器中键联接引起的间隙、并且驱动装置如步进电机、伺服电机等存在反向死區，当机床的进给方向发生改变时，由于反向间隙的存在，机床工作台的运动必然滞后于电机驱动丝杠的运动。这样就已经严重影响到了机床的位置精度，反映在工件上的位置和形状误差，滚珠丝杠的反向间隙误差是各部件组装完成之后客观存在的，因此检测机床反向间隙对于提高机床的精度非常重要。

2  Rennishaw球杆仪的圆度测试原理

球杆仪是一种通过两轴联动方便、快速检测机床性能的仪器。它包括中心座、球杆仪、工具杯等，利用磁性原理使中心座吸附在工作台上，工具杯安装到适当的刀柄上面，并固定到主轴上面，球杆仪是一种传感器，它能精确的测量出球杆仪在运动过程中的收缩量。在测量过程中，它的一端吸附在中心座上，一段吸附在工具杯上。通过两轴联动，实现主轴上刀具相对于工作台上固定的工件在XY、YZ、XZ平面内做半圆或整圆运动。球杆仪可以自定义控件测量轨迹，实现在上述三个平面内进行圆度测量。假设我们在XY平面内进行圆度测量：设吸附在工作台上的工具杯上的磁性精密球为坐标系原点，主轴上精密球球心为目标坐标（x，y），当机床运动到目标位置时，设精密球球心的实际位置为（x1，y1），则机床在X方向和Y方向的移动误差为：

3  实验设备及检测情况

下面以凯恩帝K2000MCi立式数控铣床系统和Rennishaw Ballbar20为例介绍数控机床反向间隙检测过程。雷尼绍无线球杆仪和上位机采用蓝牙通讯，其本体是一个可以进行伸缩的高精度线性位移检测传感器，在其两端均有一个磁性的精密球，用于与磁力座连接，磁力座一端连接吸附在工作台的工具杯上，一端连接机床的主轴。首先清零凯恩帝数控系统基本参数2625-1，2625-2的数值，使机床进给轴X轴和Y轴的反向向间隙补偿值为0um;在检测XY平面上，机床驱动球杆仪绕旋转中心做360度旋转，为了保证球杆仪在采集数据时获得恒定速度，通常使采集前后各有180度的越程角，这样就要求球杆仪沿顺时针方向和逆时针分别旋转360度，根据上述要求，我们设置Renishaw软件参数如表1所示。

我们在编制球杆仪测试程序时，通常采用人工和自动生成程序，Rennishaw软件提供了自动生成程序的功能，在正式检测之前，为了保证程序的准确性，我们必须空运行一周，看机床的运行轨迹是否和我们预估相符合。下述程序是为测试K2000MCi数控铣床XY进给轴所编制的测试程序。需要注意的是在机床进入待检测位置后即机床执行程序N90 M00，先启动数据采集按钮，再按程序运行按钮。

4  反向间隙结果分析

由图1可以看到，圆弧轨迹在轴线开始处沿圆弧中心换向时存在错位。

由图2中的诊断值可知，Y轴的反向间隙误差值为8.9um，Y轴的反向间隙影响因素占比为16%，X轴的反向间隙误差值为2.1um，X轴的反向间隙影响因素占比为5%，因此，Y轴的反向间隙过大，无法满足机床运行精度的要求。通常这是由于数控机床在驱动系统的各个环节中可能存在间隙引起，如滚珠丝杠端部浮、驱动螺母磨损，或者滚珠丝杠预紧力过大带来的过度盈利引起丝杠扭转的影响。因此，我们应通过更换磨损部件，或者通过设置数控机床误差补偿参数来消除反向间隙。

5  结语

本文应用Rennishaw Ballbar20设备及其软件可以快速有效的检测出数控机床在进给方向的反向间隙误差，并分析其形成的原因，提出改善措施。雷尼绍球杆仪作为快速检测的有力工具，可以减少数控机床维修人员的工作强大，提高工作效率，降低数控机床的维修成本。

参考文献：

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