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毕业设计文献综述

数控加工中的螺距误差补偿技术现状及发展趋势

李凯

一.螺距误差产生的原因及误差补偿的意义

螺距误差，从字面上看是指滚珠丝杠的螺距间隙，一般产生螺距误差的原因有：

1.机床丝杠本身螺距累计误差造成的机床目标值偏差；

2.是在机床丝杠的装配过程中，由于采用了双支撑结构使丝杠轴向拉长,造成丝杠螺距误差增加，产生机床目标值偏差；

3.是在机床装配过程中,由于丝杠轴线与机床导轨平行度的误差引起的机床目标值偏差。

但在误差补偿中，测量的是每个坐标的实际运动精度；因此，螺距误差不单纯是丝杆的螺距间隙，它还与伺服信号、电机输出、齿轮传动、丝杠传动等等有关。

实际上，为了提高数控机床的加工精度，在设计上已考虑到了如何减小进给传动装置的间隙，诸如在进给传动装置中加入减速器环节，通过减小单位脉冲对应的进给部件位穆量（即脉冲当量）、采用预紧的滚珠丝杠、以及减少传动件和连接件等办法来达到提高传动精度和定位精度的目的。

因此，影响数控机床加工精度的最大因素就和丝杠的螺距误差有关了；因为经过长时间的磨合，在整个丝杠长度上，总有一段是使用额率最高的，而在这一段与其它不常用的一些地方相比，磨损程度就大一些，总会产生一定程度的差异；对于信号回路以及电机或者齿轮传动，因其与轴运动的区域段关系不很大，因此常规上定义的螺距误差补偿就指的是丝杠运动的螺距误差补偿。

数控机床大都采用滚珠丝杠作为机械传动部件，电机带动滚珠丝杠，将电机的旋转运动转换为直线运动。

如果滚珠丝杠没有螺距误差，则滚珠丝杠转过的角度与对应的直线位移存在线性关系。

实际上，制造误差和装配误差始终存在，难以达到理想的螺距精度，存在螺距误差，其反映在直线位移上也存在一定的误差，降低了机床的加工精度。

而利用数控系统提供的螺距误差补偿功能，可以对螺距误差进行补偿和修正，达到提高加工精度的目的。

另外，数控机床经长时间使用后，由于磨损等原因造成精度下降，通过对机床进行周期检定和误差补偿，可在保持精度的前提下延长机床的使用寿命。

对于机床定位精度上，螺距误差补偿能改善的机床性能指标有：

a．机床的定位精度；

b．机床的重复定位精度；

c．传动丝杠运动的反向误差。

而螺距误差补偿对开环控制系统和半闭环控制系统具有显著的效果，可明显提高系统的定位精度和重复定位精度，而在半闭环系统中，定位精度很大程度上受滚珠丝杠精度的影响，虽采用精度高的滚珠丝杠，因制造误差、装配误差始终存在,要得到高的运动精度，必须采用螺距误差补偿功能，利用数控系统对螺距误差进行补偿与修正；对于全闭环控制系统，由于其控制精度高，螺距误差补偿效果不突出，但也可以进行螺距误差补偿，以便提高控制系统的动态特性，缩短机床的调试时间。

二．国内外螺距误差补偿的方法

1.国外螺距误差补偿的方法

国外的大部分机床的螺距误差补偿是以高精度的检测装置为基准的，采用的是等间距螺距误差补偿，这种补偿方法选取机床参考点作为补偿的基准点，然后每隔一定距离作为一个补偿点，通过给补偿点编号，并根据工作台的现行位置计算补偿点号，可方便地用软件实现误差补偿。

等间距螺距误差补偿首先选取机床参考点作为补偿的基准点，机床参考点由反馈系统提供的相应基准脉冲来选择。

然后实测出机床某一坐标轴各补偿点的反馈增量值修正，以伺服分辨率为单位存入IFC表。

补偿点IFC值=（数据指令值-实际位置值）/伺服分辨率

一个完整的IFC表要一次装入，不宜在单个补偿点的基础上进行修改。

当其完整性遭到破坏时，可定期刷新IFC表。

等间距螺距误差补偿的软件实现过程分以下六步：

1计算工作台离开补偿基准点的距离。

Di=Ri-REF

式中：

Di—采样周期工作台离开补偿基准点的距离

Ri———采样周期工作台的绝对位置

REF补偿基准点的绝对位置

2根据Di的符号决定采用正向被偿（Di>0）还是负向补偿（Di<0），图1所

示。

1

Y

…机珠雄净点

-

凭向卅伫方问

■

■

«

1「

I

~r~：

正向卄偿方向

«-7

6—

1

3-4-

!

1J.n

11

圏1正向补偿和贷向补偿

3确定当前位置所对应的补偿点号Ni0

Ni=［Di/校正间隔］

式中，［］表示取整数部分,校正间隔在确定IFC值时确定,且恒为正数。

4判断当前位置是否需要补偿。

若Ni=Ni-1,无需补偿,否则需要补偿。

5查IFC表，确定补偿点Ni上的补偿值。

当坐标轴运动方向与补偿方向一致

时（对正向补偿Ni>Ni-1，对负向补偿Ni

否则，取-IFC（Ni-1）o

6修正位置反馈增量及当前位置坐标。

△Ri+Si△Ri

Ri+Si-Ri

（1）补偿原理

将数控机床某轴的指令位置与高精度测量系统测得的实际位置进行比较，计算出在全行程上的误差曲线，并将误差值以表格形式输入数控系统中。

加工过程中，数控系统在对该轴实施控制时，会自动对该轴误差值加以补偿。

误差补偿步骤如下：

①在机床上安装高精度位移测量装置（国外大部分采用磁栅，光栅以及激光干涉仪等）：

②编制简单程序，在整个行程上顺序设置一些位置点；③测量并记录运行到这些位置点时的实际精确位置；④标出各位置点

的误差值，形成在不同的指令位置处的误差表；⑤通过多次测量，取平均值；⑥将修正表输入数控系统，按此表进行误差补。

以SINUMERIK02S/C数控系统为例，介绍数控机床螺距误差的等间距补偿。

补偿通过补偿文件进行，以Z轴作为补偿轴，补偿起始点为100mm绝对坐标），补偿间隔为100mm补偿终止点为1200mm绝对坐标）。

首先设定螺补轴的补偿参数（见表1）o

表L螺补参数的设定

轴参数号

参数名

单位轴实验值参数定义

38000

MM.ENC.COMP.

MAXPOINTS

-X.Y.213

每轴螺距

补楼点数

系统在下一次上电时将对系统内存进行重新分配，用户信息如零件程序、固定循环、刀具参数等会被清除，所以设定参数之前应将用户信息卸载到计算机中。

然后利用工具盒盘中的TRANS802.BAT将螺补文件读入计算机中，填入数据后传回数控系统。

设置螺补功能激活参数：

表2螺f7网铀?

■強糅

轴畚数号

参数名

单位轴1输入值

参数定艮

32700

EVC_CCMP-

0

无螺补

ENAELE

X,Y.Z

1

慷补牛效

需要注意,MD32700=1时，802S/C内部补偿文件自动进入写保护状态。

如果需要修改补偿值，须先修改补偿文件，还须将MD32700=0,待补偿值输入

802S/C后再恢复MD32700=1系统再次上电，螺补功能设定完毕。

需要注意，螺距误差补偿是按轴进行的，且必须返回参考点后才会生效。

2.国内螺距误差补偿方法

目前,国内外都在开展通过软件对数控机床进行误差补偿，取得了一定进展。

由于各数控系统存在封闭性，因而难于实现统一融合。

激光干涉仪对误差的测量精度很高，但价格昂贵，需要专人操作，不适宜在生产现场环境下工作。

而数控系统生产厂家进行螺距误差的补偿，又需要手动输入数据，计算复杂，容易出错。

而步距规测量制造简单，操作方便，可以满足大多数数控机床的要求，特别适用

于我国国情和大批量的数控机床机电联调的需要。

因此以步距规为测量基准，充

分利用拥有自主版权的华中数控系统，实现对非高精度半闭环数控机床运动精度的评价和螺距误差的自动补偿，并用激光干涉仪对机床补偿前后的位置精度作出评价。

大量试验以及现场应用证明了这一方法的可行性，并以此作为华中数控系

统的一个功能模块，投入现场生产应用。

只要采用高精度的测量方法，稍加修改，即可对高精度机床进行螺距误差的自动补偿。

因此在国内以步距规为测量基准而代表性的是华中数控系统，所以下面介绍华中的数控的螺距误差补偿方法。

（1）螺距误差补偿原理

在机床坐标系中，在无补偿的条件下，于轴线测量行程内将测量行程分为若干段，测量出各目标位置Pi的平均位置偏差xi，把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插补指令上，实际运动位置为Pij=Pi+xi，使误差部分抵消，实现误差的补偿。

（2）螺距误差测定程序

图1为步距规结构图。

图1歩毎规结构闍

因步距规测定精度时操作简单而在批量生产中被广泛采用，步距规经精密加工后，用三坐标测量机或激光干涉仪校准，以步距规为测量基准，对非高精度半闭环数控机床运动精度的评价和螺距误差的自动补偿十分方便。

步距规测量误差主要由以下几方面组成：

测量基准面和步距规轴线垂直度误差；测量时步距规轴线和测量轴线的平行度误差；由于不在同一直线测量而引

起的阿贝误差；杠杆千分表带来的误差。

本文给出利用步距规测定机床螺距误差的数控程序：

%0008文件头

G92X0Y0Z0;建立临时坐标（应该从参考点位置开始）

WHILE[TRUE；]循环次数不限，即死循环

#1=P1输入步距规P1点尺寸

#2=P2;输入步距规P2点尺寸

#3=P3;输入步距规P3点尺寸

#4=P4;输入步距规P4点尺寸区性

#5=P5;输入步距规P5点尺寸

G90G01X5F1500;X轴正向移动5mm

G01Y15F1500;Y轴正向移动15mr，i将表头从步距规测量面上移开

N05X0;X轴负向移动5mm后返回测量位置，并消除反向间隙，此时测量系统清零

G01Y0F300;Y轴负向移动15mm让表头回到步距测量面

G04X5;暂停5s，记录表针读数

G01Y15F1500

X-#1;负向移动，使表头移动到（1=1，Pi=P1，下同）点

Y0F300

G04X5;暂停5s，测量系统记录数据

G01Y15F1500

X-#2;负向移动，使表头移动到P2点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#3;负向移动，使表头移动到P3点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#4;负向移动，使表头移动到P4点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#5;负向移动，使表头移动到P5点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

x-（#5+5）;负向移动5mm（越程）

X-#5;越程后正向移动至P5点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#4;正向移动至P4点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#3;正向移动至P3点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#2;正向移动至P2点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X-#1;正向移动至P1点

Y0F300

G04X5

G01Y15F1500

X0;正向移动至P0点

Y0F300

G04X5

ENDW循环程序尾

M02程序结束

（3）螺距误差的补偿方法

1.在开机后进行回零操作。

2.在华中数控系统中，依次按参数F3键、输入权限F3键进入下一子菜单，按数控厂家参数F1键，输入数控厂家权限口令，再按参数索引F1键、轴补偿参数F4键，移动光标选择“0轴”后回车进入系统X