摘要：以H N C -21M 系統為基礎，研究數控機床的螺距誤差和反向間隙誤差存在的原因和進行軟件補償的原理。在軟件補償原理的基礎上，試驗以100m m 為步長，測試5 個不同位置機床實際移動距離，通過計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。同時提出基于華中數控系統的具體軟件補償的方案和步驟，試驗表明通過該方法可以將數控機床的加工精度提高至0.0005m m 。
關鍵詞：數控系統；螺距誤差；反向間隙；N C
1 、引言
數控機床通常長期工作在高速或重載的情況下,由于機械部件的磨損、老化等問題，嚴重影響了機床的加工精度和質量。因此，針對數控機床磨損進行檢測和維修是非常重要的。對于數控機床磨損問題，通常采用對磨損部件直接替換的方案，該類方案成本高、時間長而且嚴重影響機床的工作效率。在大負載工況下數控銑床長時間工作后，機床傳動機構的反向間隙和螺距誤差等因素是降低機床精度的重要原因。針對數控機床在使用過程中的這兩個主要的誤差，本文以華中數控銑床HNC-21MD 為基礎，通過軟件補償的辦法提高數控機床的精度。
2 、試驗原理與方法
2.1 螺距補償原理
通常，數控機床由機械部分、電子硬件部分、軟件部分組成，只有三者穩定的狀態才能很好地發揮數控機床高精度、高效率的特性。然而，一臺數控設備經過多年的運行，很多移動部件都發生了不同程度的磨損，其位置精度都會發生變化。即使未到大修年限，一般精密級的數控機床也會重新進行位置精度的測量及補償。下面著重介紹精度補償的一般性原理及方法。
如圖1 所示，數控機床軟件補償的一般原理是在機床無加工負載的情況下，首先取消已有的補償參數，在機床工作臺移動方向的可測量范圍內，先將測量距離平均分為多個等分段。然后，將機床工作臺移動到每個目標等分位置di，并測量出工作臺的實際移動距離和目標移動距離的平均位置偏差de，把平均位置偏差，添加到數控機床的插補系統中，完成軟件補償。具體的方法如圖1 所示，機床按照相關指令驅動工作臺沿X 軸或Y 軸運動到理想位置距離dg，而工作臺實際移動的位置距離為da，測量出該位置的平均偏差為de；將de 輸入數控系統中，完成插補的NC 系統，在移動工作臺時會將誤差de 平均疊加相關移動指令中，而工作臺的實際移動距離就為： da=dg+de （1）通過式（1）的方法，軟件補償可以使誤差部分抵消，實現誤差補償。
2.2 反向間隙補償原理
如圖2 所示，由于數控機床的磨損，機械傳動機構尤其齒輪會產生間隙，機床工作臺沿著某個方向前進后，反方向運動時，由于反向間隙的緣故，出現驅動電機轉動而工作臺不移動的現象，為此采用反向間隙補償的方案來提高機床的加工精度。反向間隙補償原理的前提條件是機床沒有軟件補償、無負載；在機床工作臺移動方向的可測量范圍內，先將測量距離平均分為多個等分段，測量出理想位置dm 的平均反向差值A，把平均位置偏差添加到數控機床的插補系統中，完成軟件反向間隙補償。完成補償后，數控軟件系統在驅動工作臺方向運動時，根據補償數值，預先讓工作臺反向移動A 值，然后按設定的機器代碼繼續工作。按照上述方向間隙補償原理，機床反向運動時，工作臺會先反向移動A 距離，后運動指令dm 距離；那么在此期間數控機床運動的實際距離L＝dm+A （2）
3 、試驗
HNC-21MD 數控銑床配置華中數控世紀星系統，其X 軸精度大幅降低，經過檢測發現存在螺距誤差和反向間隙誤差。為了延長機床的使用壽命和提高機床的精度。采用光柵尺進行機床的實際移動距離測量。以100mm 為步長，測試機床沿著X 軸方向的實際移動距離。圖3 為機床的實際移動距離和誤差值。
從圖3 可知，數控機床沿著X 軸方向前進時，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，可以通過軟件補償的方法進行修補。
采用同樣的設備，測量5 次機床沿著X 軸反方向移動步長為100mm 時機床NC 界面的指令運動尺寸，記錄試驗數據，利用式（2）進行處理，得到5 次平均反向間隙誤差為0.11mm。
表1 反向間隙誤差測量數據
4 、軟件誤差補償方法
如圖4 所示，在進行測量前，首先要確定相關修改的權限，軸補償參數系統等軟件的打開。開啟HNC-21M 華中數控銑床后，先進入“參數”設置界面，輸入數控系統的安全保護密碼；分別按下數控廠家參數、參數索引、軸補償參數等按鍵；選擇要補償的X 軸，打開X 軸軟件補償面。依據上述的補償原理，先將系統中已有的螺距補償、反向間隙等參數清空為零。
將光柵尺安裝于置于機床的工作臺中間位置，同時通過打表等方式確保光柵尺與移動方向導軌的平行度誤差應該小于0.02mm。
在使工作臺沿X 軸移動時，先讓工作臺處于Y 軸的中間位置，然后移動到機床的O 點；在測量過程中，當機床運動到指令位置時，程序設置停留數秒，以方便讀數和記錄。同時為了測量數據的準確性，按照上述方法測量多次，并將數據填寫到相關的表格中。
按照式（1）、（2）計算出相關誤差。如圖5 所示，然后將平均反向間隙誤差A 和平均位置偏差de 輸入軟件軸補償參數表。
5 、驗證試驗
通過上述方法進行軟件補償之后，重啟系統。利用同樣的試驗方案，測試機床的加工精度。同樣以100mm 為步長，通過光柵尺檢測6 個點工作臺實際運動的位置，圖6 為補償前后的精度對比。
從圖6 可知，通過上述軟件補償方法，機床的平均精度為0.0005mm，達到了預期效果，極大地提高了舊機床的工作精度。
6 、結語
由于機床的磨損，機床存在螺距誤差和反向間隙誤差。該文通過分析誤差存在的原因和軟件補償的原理，基于HNC-21M 系統通過相關試驗，計算出機床的誤差。驗證試驗表明， 軟件補償可以將機床的精度提高為0.0005mm，有效提高了機床壽命和加工精度。
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