数控机床反向间隙和定位精度的检测与补偿

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
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
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 表压住主轴的圆柱表面，然后可运行如下程序进行测量：
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
N10 G91 G01 X50 F1000；工作台右移
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
N20 X-50；工作台左移，消除传动间隙
3.故障分析处理
该电容旁有一个集成块散热片，可能是由于散热片的温度较高，
可能的故障点：①光电传感器故障；②主板故障；③开关电源 长时间对电容进行加温，导致电容温度较高，内部发生变化，充放
故障；④滤光镜转轮电机故障；⑤光学系统故障。经分析，认为传感 电不太稳定。在更换电源板后运行半月未发现故障，对另外一台
N70 Z-50；Z 轴复位
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
N80 G04 X5；暂停以便观察
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
N90 M99；
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
工作台在不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一
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， 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
理全部集中在主板上；电源故障有可能，因为电源输出电压的不稳 未发生任何数据波动现象。说明对故障分析是正确的，引起仪器
定会影响仪器的正常运行；光学系统故障有可能，因为外界光（例 异常跳动的原因是电源板。由于该仪器是美国进口的精密光学
如环境照明，电焊机电弧光等）会对水分仪反射光造成影响。
仪器，不主张对电源板的电子零部件进行维修，建议直接更换开
数控机床反向间隙和定位精度的检测与补偿
黄祥
摘要 影响数控机床位置精度的两个重要因素是反向间隙和定位精度，分析反向间隙和定位精度的影响，给出生产中的检测办 法和补偿措施。
关键词 反向间隙 定位精度 检测 补偿 中图分类号 TG502.7 文献标识码 B
一、反向间隙
测量直线运动轴的反向间隙时，测量工具通常采用千分表
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
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
（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
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
2 号 237011
E-mail：ahhx6902@163.com
〔编辑 利 文〕
跀賰 设备管理与维修 2011 №12
维护与修理
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 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
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 程变得更便捷、更精确。
就会产生“圆不圆、方不方”的情况，而在 G00 快速定位运动中，
例如：在 3 坐标立式机床上测量 X 轴的反向间隙，可先将
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
N30 G04 X5；暂停以便观察
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
N40 Z50；Z 轴抬高
反向间隙的测定和补偿。
N50 X-50；工作台左移
1.反向间隙检测
N60 X50；工作台右移复位
在所测量的坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个
图 1 激光干涉测量原理
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
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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
发现旧电源板上一个 12μf 小电容有轻微膨胀现象，膨胀原因是
E-mail：panchg@gslzcf.com
〔编辑 叶允菁〕
维护与修理
设备管理与维修 2011 №12 跐賯
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
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 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
先移动一段距离，否则不能得到正确的反向间隙值。
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
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
2 λ
Δdt=
2l λ
，故测量距离
l=
λ 2
N，其中 N 是累计脉冲
0
0
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；
先对其中一台水分仪进行了主板更换，然后对其正常运行进 关电源板。
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行跟踪，结果在更换主板第三天和第八天分别出现了两次故障，这 —— —— —— —— —— —— —— —
说明仪器主板并非故障的根源。安装好原主板，准备更换电源板，
作者通联：潘成刚 甘肃烟草工业有限责任公司 兰州市
更换前测量了电源输出电压，±15V 电压输出正常。更换电源后， 南滨河中路 1111 号 730050
由于机床传动链机械间隙的存在，机床在运动过程中，从正 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
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 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
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 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
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
t
乙 积分，即 N=
Δfdt，由于
Δf=2
V C
f，而
V=
dl dt
，f=
C λ
，所以 N=
0
t
t
乙 乙 Δfdt=
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。
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。
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作者通联：安徽国防科技职业学院 安徽六安市新河东路
器和滤光镜转轮电机故障的可能性较小，原因是传感器和电机的 在线红外水分仪和实验室台式水分仪的电源板也进行了更换，更
运行不可能发生突变，也将不可能有显示数据的突变，故将重点集 换后进行全面的跟踪分析，在半个月之内没有发现任何异常。
中在其他的 3 类故障分析上。主板故障有可能，因为数据的核心处
从第一台红外水分仪更换电源板至今已 6 月，运行均正常，