61反向间隙与螺距误差的补偿

数控机床电气系统装调与维修一体化教程主编：韩鸿鸾模块六数控机床的误差补偿任务一反向间隙与螺距误差的补偿知识内容4任务引入1任务目标2任务实施3任务拓展5任务巩固6滚珠丝杠是滚动摩擦，摩擦因数小，动态响应快，易于控制，精度高。滚珠丝杠生产过程中，在滚道和珠子之间施加预紧力，可以消除间隙，所以滚珠丝杠可以达到无间隙配合。但是使用一段时间后容易产生间隙，对于较大的间隙可以通过丝杠预紧，来消除丝杠间隙。但预紧力不能大于轴向载荷的三分之一。现在大多数数控制造商也提供了电气上辅助补救措施——背隙补偿功能（也有称之为“反向间隙补偿”），英文为Backlashcompensating。数控机床电气系统装调与维修一体化教程任务目标掌握反向间隙与螺距误差的检测方法1会应用手动与自动方法对反向间隙与螺距误差进行补偿2掌握激光干涉仪的操作方法3数控机床电气系统装调与维修一体化教程任务实施一、手动补偿1.检测方法(1)直线运动的检测目标位置数量和正、负方向循环次数1)线性循环线性循环2)阶梯循环阶梯循环(2)回转运动的检测检测应在0°、90°、180°、270°等4个主要位置检测。若机床允许任意分度，除4个主要位置外，可任意选择3个位置进行。正、负方向循环检测5次，循环方式与线性运动的方式相同。2.反向偏差/间隙的检测反向偏差亦称为反向间隙或矢动量。由于各坐标轴进给传动链上驱动部件(如伺服电机、伺服液压马达等)存在反向死区，各机械运动传动副存在反向间隙，当各坐标轴进行转向移动时会造成反向偏差。反向偏差的存在会影响半闭环伺服系统机床的定位精度和重复定位精度，特别容易出现过象限切削过渡偏差，造成圆度不够或出现刀痕等现象。需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。反向偏差可用百分表/千分表进行简单测量，也可以用激光干涉仪或球杆仪进行自动测量。(1)测量方法1)测量条件按GB10931-1989规定。2)位置目标点：行程中点及两端点。3)移动行程（距目标点距离)：0.2～1mm。4)手脉操作或调用循环程序（手脉操作时，手脉倍率选“×10”挡)。5)循环方式：阶梯方式5～7次。6)计算方法及给定方式：按国家标准。测量时，注意表座和表杆不要伸出过高过长。悬臂较长时，表座容易移动，造成计数不准。(2)具体操作1)手脉进给操作第1步：将磁性表座吸在主轴上，百分表/千分表伸缩杆顶在工作台上的某个凸起物上（顶紧程度必须在满足正负方向移动所需的测量距离后不会超出表的量程)。第2步：用手脉（“×10”挡)正向移动X轴约0.1mm后，记下百分表或千分表的表盘读数（或旋转表盘，使指针与“0”刻度重合)，并清除NC显示器的X轴相对坐标显示值（显示为０)。第3步：用手脉继续正向移动Ｘ轴0.5～1mm（以NC显示器X轴的相对坐标显示值为基准)，必须保证X轴的移动方向不变（没换向)。第4步：用手脉反向移动X轴，待NC显示器上X轴的相对坐标显示值为0时停止，记下百分表或千分表的表盘读数。第5步：将百分表或千分表的表盘读数相对变化值计算出来第6步：继续用手脉负向移动X轴0.5～1mm（以NC显示器X轴相对坐标显示值为准)，记录下百分表或千分表表盘读数（注意，移动期间不能换向)。第7步：用手脉正向移动X轴，直至NC显示器X轴相对坐标显示值为0止，记录下百分表或千分表的读数。第8步：计算出负向移动向正向移动换向时的反向偏差值（表盘读数的相对变化值)，这是第1次测量的X轴中点位置正向反向偏差mX)轴线复位至测量点暂停,记录表读数继续沿原反方向进给约0.5至10.5至1复位至测量点暂停,记录表读数0.5至1同方向进给约0.5至1初始打表，进给约0.1测量点装表位置反向偏差测量位置点的第1次循环过程2)自动运行测量①编制运行程序（以X轴的测量为例编制循环测量程序)。②操作步骤。第1步、第2步与手脉进给操作的第1步、第2步一致。第3步：运行上述程序“O100”（进给倍率置于“100%”挡)。第4步：在程序运行暂停点记录百分表/千分表表盘读数反向偏差测量记录表第5步：计算X轴各测量目标点的mXmX值，最后得到X轴的反向偏差值。3.反向偏差的补偿FANUC0i系统切削进给与快速进给的反向偏差关系FANUC0i系统切削进给与快速进给时的反向偏差值补偿4.螺距误差补偿螺距误差是丝杠导程的实际值与理论值的偏差。(1)螺距误差补偿原理ijijjXPPijijjXPP位置偏差/误差Pj为指定的目标位置Pij为目标实际的运动位置。(2)螺距误差的补偿方法FANUC-0i系统的螺距误差补偿参数补偿点数-2-1+3+2+13736353430313233参考点补偿值螺距误差补偿间隔设定及补偿点补偿点号3031323334353637设定补偿值-2+3-1-1+1+2-1-3表各补偿点的补偿值1)补偿倍率：2)最小补偿间距的确定FANUC0i系统的最小间距:最大快速移动速度（快速进给速度)/3750（mm)。如若最大进给速度为15000mm/min时，FANUC0i系统的最小补偿间距为4mm。①缩短补偿间距或降低最大进给速度。②调整机械配合。③更换精度等级高的丝杠。例6—1直线轴的螺距误差补偿设某型机床X轴的机械行程为-400～800mm，螺距误差补偿点间隔为50mm，参考点的补偿号为40，正确设置相关参数，完成补偿设置。号码3334353637383940414243444546474849补偿值+2+1+1-20-10-1+2+10-1-1-20+1+2补偿值分布机械坐标补偿点号-400-350-100-50050100750800403933414256补偿点位置参数设定正方向最远端补偿点的号码为：参考点的补偿点号码+（机床正方向行程长度/补偿间隔)=40+800/50=56负方向最远端补偿点的号码为：参考点的补偿点号码-（机床负方向行程长度/补偿间隔)+1=40-400/50+1=33例6—2旋转轴的螺距误差补偿某型机床配置了FANUC0iC系统，其旋转轴C的每转移动量为360°，误差补偿点的间距为45°，参考点的补偿点号为60，设置正确的补偿参数值。补偿点号606162636465666768补偿量设定值+1-2+1+3-1-1-3+2+1旋转轴各点补偿量参考点机械坐标（度）-3686766653153602702251801359045补偿点号-2-1+3+2+1646362615960参考点螺距误差补偿值（绝对值）C轴各点补偿值分布参数设置二、自动补偿目前行业使用最普遍的检定设备是激光干涉仪。反向偏差可以用激光干涉仪或球杆仪进行测量。1.激光干涉仪的测量(1)主要功能1)几何精度检测——可检测直线度、垂直度、俯仰与偏摆、平面度、平行度等。2)位置精度的检测及其自动补偿——可检测数控机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度等。3)线性误差自动补偿——通过RS-232接口传输数据，效率高，可最大限度地选用被测轴上的补偿点数，使机床达到最佳精度。4)数控转台分度精度的检测及其自动补偿——ML10激光干涉仪加上RX10转台基准能进行回转轴的自动测量，可对任意角度，以任意角度间隔进行全自动测量。5)双轴定位精度的检测及其自动补偿——可同步测量大型龙门移动式数控机床，由双伺服驱动某一轴向运动的定位精度，通过RS-232接口，自动对两轴线性误差分别进行补偿。6)数控机床动态性能检测——利用RENISHAW动态特性测量与评估软件，可用激光干涉仪进行机床振动测试与分析（FFT)、滚珠丝杠的动态特性分析、伺服驱动系统的响应特性分析、导轨的动态特性（低速爬行)分析等。(2)激光干涉仪的安装激光干涉仪的安装(3)位置误差补偿操作1)准备工作ML10软件配置2)备份机床的补偿数据设置计算机与机床系统的串口通信参数（图中箭头表示操作顺序)3)清除机床补偿参数值补偿前，必须清除机床数控系统各轴反向间隙和螺距误差原补偿参数值，避免在测量各目标点位置误差值时，原补偿值仍起作用。①逐点清零反向间隙和螺距误差补偿参数。②使补偿轴的补偿功能失效。③补偿倍率设为零。④清除机床坐标偏置及G54设置值。完成上述操作后，系统断电重启，并进行参考点返回操作，确保绝对坐标与机床机械坐标相同。4)目标点定义测量轴目标点定义界面（图中箭头表示操作顺序，后续图类同)5)根据所选测量轴，建立满足测量要求的激光光路线性测量镜组及其组合光路调节示意图反射光强度条光路调节及反射光强度检查图6)生成测量程序测量程序生成操作步骤①程序号或程序名。②轴名：③运行次数：④选择方向：⑤暂停周期：⑥越程值：⑦进给量：⑧数据采集方式/零件程序类型：⑨轴方式：7)将X轴移动程序上传给机床系统8)采集并分析原始数据采集数据之前，用鼠标单击坐标清零图标软件坐标清零显示数据自动采集操作数据自动采集显示界面数据分析操作误差补偿值表9)将误差补偿值传给数控系统并检查补偿结果定位精度与重复定位精度的数据分析曲线具有自动补偿功能的软件可利用其数据传输功能将误差补偿值直接传送给数控系统；没有配置自动补偿功能的软件（如RenishawLaser10)可利用其计算出的误差补偿值表，手动逐项、逐点输入数控系统对应的补偿参数中。数控机床电气系统装调与维修一体化教程任务拓展——球杆仪球杆仪能快速(10～15min)、方便、经济的评价和诊断CNC机床动态精度的仪器，适用于各种立卧式加工中心和数控车床等机床，具有操作简单，携带方便的特点，其工作原理是将球杆仪的两端分别安装在机床的主轴与工作台上（或者安装在车床的主轴与刀塔上)，测量两轴差补运动形成的圆形轨迹，并将这一轨迹与标准圆形轨迹进行比较，从而评价机床产生误差的种类和幅值。一、球杆仪的安装球杆仪的安装球杆仪的连接二、检测程序适配器组件零件名称2)检测程序(动态数据采集,100㎜球杆仪,ZX平面)(360度数据采集弧，180度越程)(公制单位，进给率/min)M05;(停止主轴)G01X0.0Z1000;(直接运动到启始点)M00;(暂停，安装球杆仪)G01X0.0Z100.0;(运行切入；使球杆仪进入测量状态)G02X0.0Z100.0I0.0K-100.0;(360度顺时针圆弧)G02X0.0Z100.0I0.0K-100.0;(360度顺时针圆弧)G01X0.0Z101.5;(运行切出)M00;(开始逆时针方向数据采集)G01X0.0Z100.0;(运行切入)G03X0.0Z100.0I0.0K-100.0;(360度逆时针圆弧)G03X0.0Y100.0I0.0K-100.0;(360度逆时针圆弧)G01X0.0Z101.5;(运行切出)M30;三、检测结果1.反向间隙－负值(机床误差)(1)图样反向间隙－负值(2)诊断值(3)可能起因1)在机床的导轨中可能存在间隙，导致当机床在被驱动换向时出现在运动中跳跃。2)用于弥补原有反向间隙而对机床进行的反向间隙补偿的数值过大，导致原来具有正值反向间隙问题的机床出现负值反向间隙。3)机床可能受到编码器滞后现象的影响。(4)推荐对策1)检查数控系统反向间隙补偿参数设置是否正确；2)检查机床是否受到编码器滞后现象的影响；3)去除机床导轨传动件的间隙，或更换已磨损的机床部件。2.反向间隙－正值(机床误差)(1)图样(2)诊断值反向间隙－正值(3)可能起因1)在机床的驱动系统中中可能存在间隙，典型的原因是因滚珠丝杠端部浮动或驱动螺母磨损。2)在机床的导轨中可能存在间隙，导致当机床在被驱动换向时出现运动的停顿。3)可能由于滚珠丝杠预紧力过大带来的过度应力而引起丝杆扭转的影响。(4)推荐对策1)去除机床导轨的间隙，可能需要更换已磨损的机床部件。2)利用数控系统反向间隙补偿参数设置来对机床中存在的反向间隙进行补偿。3.反向间隙－不等值(机床误差)(1)图样反向间隙－不等值(2)诊断值(3)可能起因由于滚珠丝杠中过大扭曲而引起反向间隙的影响，可以在具有反向间隙补偿的机床上将该差异调整均化，导致在该轴出现相对台阶。该扭曲可能由于丝杆磨损、螺母损坏及导轨磨损，这种类型的反向间隙若出现在立轴运动测