利用加工程序清除反向间隙误差

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编者按

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数控车床的加工精度不但与其本身的精度有关，而且与数控加工程序密切相关。加工程序编写得不当，不但会造成意想不到的错误，还会误认为是机床精度出了问题，维修机床时又找不到问题，无从下手。下面以一类似的案例进行分析。

图1  工件结构

N 50 T0 202；

N60 G0X25Z1；

N70 G1Z-105F0.25；

N80 G0Z100；

N90 G0X150；

加工程序N70后没有X向退刀指令，操作人员表示内孔没有表面粗糙度要求，这样编程可以提高加工效率，缺少X向退刀指令，不会影响机床的精度，其他技术人员也同意操作人员的看法，于是陷入了无从下手的境地。

从故障现象分析，每个工件均比前一个工件的外径和内孔大两丝，问题可能出在 X 向。经检查 X 向丝杠不存在窜动问题，而 X 向的反向间隙正好是两丝，反向间隙补偿量也为两丝，说明机床精度没有问题。在无计可施的情况下，只有改动程序试一试，于是在N60与N70间插入如下程序段。

N63 G0X24；

N66 G0X25；

其他程序不变，重新试车，故障解决，这说明问题出在反向间隙补偿上。下面针对 两种情况进行分析。

常规加工内孔程序轨迹如图2所示，改动后的加工内孔程序轨迹如图3所示。图2和图3中的 A 点为内孔刀的起刀点，其坐标为 X =150、 Z =100；B点的坐 标为 X =25、 Z =1； C 点的坐标为 X =25、 Z =-105；H 点的坐标为 X =25、 Z =0；G点的坐标为 X =24、 Z =1； E 、 F 为 X 向滚珠丝杠螺母两端。

图2  常规加工内孔程序轨迹

如图2所示，刀具从 A 到 B ， X 轴的滚珠丝杠与螺母的实际间隙在 F 点，此时丝杠与螺母在 E 处无间 隙，刀具从 B 到 C ， X 轴滚珠丝杠不动，当刀具运行 到 H 点开始 切削，此时刀具受到一个工件向 X 轴负向的挤压力，在该力的作用下，滚珠丝杠螺母向 X 轴的负端微动，当 F 端的间隙全部转到 E 端时，微动停止。而这个过程数控系统无法获知，因此 C 点相当于向X轴负向偏移了一个滚珠丝杠反向间隙量，此时滚珠丝杠与螺母的间隙在 E 端， F 端滚珠丝杠 与丝母紧密贴合2，执行N80 GOZ100后，不会影响 X 向滚珠丝杠间隙的变化。执行N90 G0X150， X 轴反向，数控系统自动进行滚珠 丝杠反向间隙补偿。由于在外力的作用下， X 轴的反向间隙已从 F 端转移到 E 端， X 轴向负端运行时不存在间隙，由此可以看 出，当刀具回到起刀点 A 时，并不是原来的 A 点位置，而是将 A 点向 X 轴的正向偏移了一个反向间隙量，这样内孔车刀每循环一次，只要 X 轴负向的挤压力足够，整个工件坐标就向X轴的正向偏移一个反向间隙量，从而造成上述故障。

在图3中增加了N63与N66程序语句，当执行完N66这条程序后，滚珠丝杠与丝母的实际间隙在 F 处，此时E处无间隙。从 H 到 C ，刀具尽管受到工件向 X 轴的负向的挤压力，但 E 处无间隙，滚珠丝杠又被伺服电动机定位，因此X向不会有任何误差，连续加工不会出现上述故障。

图3  改动后加工内孔程序轨迹

通过以上实例说明，消除反向间隙是保证加工精度的重要手段之一。系统参数补偿法不影响加工程序的编写，虽然系统参数补偿法易操作、简单明了，但是局限性较大。利用加工程序进行消除反向间隙适用于开环、半闭环系统，特别对没有补偿的系统具有较大的实际作用。但是这种编程方法，对编程人员的工艺知识和对机床结构的了解程度要求 较高。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会设备维修专业学会. 机修手册[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，1993.

[2] 陈本锋. 半封闭环数控车床滚珠丝杠反向间隙的误差补偿分析[J]. 装备制造技术，2015（ 10 ）：162- 165.

[3] 杨中力. 数控机床故障诊断与维修[M]. 2版，大连：大连理工大学出版社，2009.

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