数控车床的螺距误差补偿分析

吴亚兰+李庆

摘要：分析了螺距误差产生原因及其影响因素，提出了多种螺距误差的测量和补偿方法，并对各种方法进行了比较，得出了其使用场合。使得螺距误差补偿大幅减小开环和半闭环控制机床的加工误差，提高合格率。

关键词：螺距误差；测量方法；补偿方法；数控车床

中图分类号：TG502.113

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22014502

1 引言

数控机床的螺距误差是指在滚珠丝杠的中经线上同一根螺旋线的对应点之间的实际距离与基本值的偏差。滚珠丝杠的螺距误差将直接影响机床的定位精度和重复定位精度，为进一步保证机床的加工精度，需要对机床的螺距误差进行补偿。

2 产生原因

滚珠丝杠的螺距误差是任何机床都存在的，其产生的主要原因有两点：由于原始加工滚珠丝杠母设备的误差，导致加工出的滚珠丝杠螺距存在误差；滚珠丝杠经长期使用后磨损引起的螺距误差。

3 检测方法

3.1 步距规测量法

机床螺距误差一般是通过机床软件来进行补偿的（图1），其检测方法主要有两种，一种是用千分表配合步距规进行检测，这是一种线性补偿方法，它一般是将机床参考点设置为补偿的原点，把滚珠丝杠的行程分为n段，在每一段上进行检测，然后将检测出的值输入到机床固定的参数中，则机床相应轴在运动至该段时会向运动的反方向進行设定值的偏移，实现螺距误差的自动补偿。步距规结构见图2。

3.2 用激光干涉仪进行检测

在机床的实际使用过程中，由于加工零件的不同，滚珠丝杠的磨损并不是均匀的，经常使用的地方磨损量大，使用线性补偿只能是均匀的统一补偿，不能对特殊点进行补偿，补偿精度较低。为提高补偿精度，可将步距尽量的缩小，测出尽量多的点，此种方法称为点补偿法。由于步距规步距值的限制，取点数量有限，所以点补偿一般才用激光干涉仪进行检测。

螺距误差检测是在无螺距误差补偿的情况下进行的，也就是说在进行检测之前，应将相应的误差补偿数值设置为0。点补偿补偿能够针对不同点设置不同的误差补偿，精度较高，但误差测量过程较为繁杂，且需要专业的高精度的测量仪器，成本较高。

4 补偿方法

通过上面的方法测得螺距误差后，可通过螺距误差补偿减小其对机械加工的影响。螺距误差补偿可通过软件和硬件补偿两种方式实现。

4.1 硬件补偿

硬件补偿具体步骤为测出滚珠丝杠全程上的误差分布，以参考点为基准，在螺距误差累计为一个脉冲当量的位置设置一个挡块，当机床移动部件上的开关与挡块接触时，机床就会多走或少走一个脉冲当量值，以补偿螺距误差。此补偿方法，要在机床的移动部件上装置一些机械结构和控制电路，实施起来较为麻烦。这种补偿方法适用于步进电机控制的开环控制系统且是采用脉冲增量插补法的数控机床。

4.2 软件补偿

软件补偿法是在已经测得滚珠丝杠螺距误差分布的前提下，将误差值输入到机床中，加工时由机床数控系统控制来进行补偿。螺距误差的补偿值（一般是测量三次区平均值）是以表格的形式输入到数控系统的相关参数当中去的（具体参数号可通过机床参数说明书查得，FANUC系统中与螺距补偿有关参数见表1）。补偿值录入结束后需要关机重新启动机床，并返回参考点，所设置的补偿值才能生效。补偿生效后需要重新检测一次，监测补偿值是否达到要求，如果不符合要求可反复修改补偿值，直至达到要求。

另外，在进行螺距误差检测时为达到理想的检测结果，工作人员应遵循GB/T 17121.2-2002的要求。同时，对外部环境如温度、辐射、空气流动性等也应满足实验需求。

对于开环和半闭环控制系统的数控机床来说，由于其不能直接检测机床的实际位移量，为进一步提高其加工精度，采用螺距误差补偿可显著提高其定位精度和重复定位精度。实践表明，通过数控系统的误差补偿可使加工误差减少60%～80%。对于闭环控制系统的数控机床来说，由于其本身具有检测反馈装置，可直接进行检测出各项误差然后进行补偿，所以采用螺距误差补偿效果不明显，但通过补偿可进一步提高控制系统的动态特性。

参考文献：

[1]赵宏立. FANUC数控机床螺距误差的检测分析与应用[J].机械工程师， 2010（5）.

[2]刘西京采用间隙误差补偿与螺距误差补偿改善机床最终数控精度[J].机械研究与应用， 2001（9）.

[3]王宏涛，赵转萍，赵雪冬，等.滚珠丝杠螺距误差补偿法提高数控机床定位精度的研究[J].航空精密制造技术， 2001（10）.

[4]张 鑫.基于HNC-818B数控转台螺距误差的研究[J].机床与液压， 2014（1）.

[5]陆 兵，刘焕牢.数控机床精度评价和螺距误差补偿技术研究[J].机械，2005（4）.endprint