1、數控加工中的螺距誤差補償技術現狀及發展趨勢李凱一 . 螺距誤差產生的原因及誤差補償的意義螺距誤差，從字面上看是指滾珠絲杠的螺距間隙，一般產生螺距誤差的原因有：1. 機床絲杠本身螺距累計誤差造成的機床目標值偏差；2. 是在機床絲杠的裝配過程中，由于采用了雙支撐結構使絲杠軸向拉長 , 造成絲杠螺距誤差增加，產生機床目標值偏差；3. 是在機床裝配過程中 , 由于絲杠軸線與機床導軌平行度的誤差引起的機床目標值偏差。但在誤差補償中，測量的是每個坐標的實際運動精度；因此，螺距誤差不單純是絲桿的螺距間隙，它還與伺服信號、電機輸出、齒輪傳動、絲杠傳動等等有關。實際上，為了提高數控機床的加工精度，在設計上已考慮

2、到了如何減小進給傳動裝置的間隙，諸如在進給傳動裝置中加入減速器環節，通過減小單位脈沖對應的進給部件位穆量 ( 即脈沖當量 ) 、采用預緊的滾珠絲杠、以及減少傳動件和連接件等辦法來達到提高傳動精度和定位精度的目的。因此，影響數控機床加工精度的最大因素就和絲杠的螺距誤差有關了；因為經過長時間的磨合，在整個絲杠長度上，總有一段是使用額率最高的，而在這一段與其它不常用的一些地方相比，磨損程度就大一些，總會產生一定程度的差異；對于信號回路以及電機或者齒輪傳動，因其與軸運動的區域段關系不很大，因此常規上定義的螺距誤差補償就指的是絲杠運動的螺距誤差補償。數控機床大都采用滾珠絲杠作為機械傳動部件，電機帶動滾珠

3、絲杠，將電機的旋轉運動轉換為直線運動。如果滾珠絲杠沒有螺距誤差，則滾珠絲杠轉過的角度與對應的直線位移存在線性關系。實際上，制造誤差和裝配誤差始終存在，難以達到理想的螺距精度，存在螺距誤差，其反映在直線位移上也存在一定的誤差，降低了機床的加工精度。而利用數控系統提供的螺距誤差補償功能，可以對螺距誤差進行補償和修正，達到提高加工精度的目的。另外，數控機床經長時間使用后，由于磨損等原因造成精度下降，通過對機床進行周期檢定和誤差補償，可在保持精度的前提下延長機床的使用壽命。對于機床定位精度上，螺距誤差補償能改善的機床性能指標有：a 機床的定位精度；b 機床的重復定位精度；c 傳動絲杠運動的反向誤差。而

4、螺距誤差補償對開環控制系統和半閉環控制系統具有顯著的效果，可明顯提高系統的定位精度和重復定位精度，而在半閉環系統中，定位精度很大程度上受滾珠絲杠精度的影響，雖采用精度高的滾珠絲杠，因制造誤差、裝配誤差始終存在 , 要得到高的運動精度，必須采用螺距誤差補償功能，利用數控系統對螺距誤差進行補償與修正；對于全閉環控制系統，由于其控制精度高，螺距誤差補償效果不突出，但也可以進行螺距誤差補償，以便提高控制系統的動態特性，縮短機床的調試時間。二國內外螺距誤差補償的方法1. 國外螺距誤差補償的方法國外的大部分機床的螺距誤差補償是以高精度的檢測裝置為基準的，采用的是等間距螺距誤差補償，這種補償方法選取機床參考

5、點作為補償的基準點，然后每隔一定距離作為一個補償點，通過給補償點編號，并根據工作臺的現行位置計算補償點號，可方便地用軟件實現誤差補償。等間距螺距誤差補償首先選取機床參考點作為補償的基準點，機床參考點由反饋系統提供的相應基準脈沖來選擇。然后實測出機床某一坐標軸各補償點的反饋增量值修正，以伺服分辨率為單位存入 IFC 表。補償點 IFC值=（數據指令值 - 實際位置值） / 伺服分辨率一個完整的 IFC 表要一次裝入，不宜在單個補償點的基礎上進行修改。當其完整性遭到破壞時，可定期刷新 IFC 表。等間距螺距誤差補償的軟件實現過程分以下六步： 計算工作臺離開補償基準點的距離。Di = Ri - RE

6、F式中： Di 采樣周期工作臺離開補償基準點的距離Ri采樣周期工作臺的絕對位置REF補償基準點的絕對位置 根據 Di的符號決定采用正向被償(Di > 0)還是負向補償(Di < 0)，圖 1所示。 確定當前位置所對應的補償點號Ni 。Ni =Di/校正間隔 式中， 表示取整數部分 , 校正間隔在確定 IFC值時確定 , 且恒為正數。 判斷當前位置是否需要補償。若Ni = Ni - 1 ,無需補償 , 否則需要補償。 查 IFC 表，確定補償點 Ni 上的補償值。當坐標軸運動方向與補償方向一致時( 對正向補償 Ni >Ni - 1，對負向補償 Ni < Ni - 1，補償

7、值 i取 IFC(Ni) ，否則，取 - IFC(Ni - 1)。 修正位置反饋增量及當前位置坐標。 Ri + iRiRi +iRi（1）補償原理將數控機床某軸的指令位置與高精度測量系統測得的實際位置進行比較，計算出在全行程上的誤差曲線，并將誤差值以表格形式輸入數控系統中。加工過程中，數控系統在對該軸實施控制時，會自動對該軸誤差值加以補償。誤差補償步驟如下：在機床上安裝高精度位移測量裝置（國外大部分采用磁柵，光柵以及激光干涉儀等）；編制簡單程序，在整個行程上順序設置一些位置點；測量并記錄運行到這些位置點時的實際精確位置；標出各位置點的誤差值，形成在不同的指令位置處的誤差表；通過多次測量，取平均

8、值；將修正表輸入數控系統, 按此表進行誤差補。以SINUMERIK 802S/ C 數控系統為例，介紹數控機床螺距誤差的等間距補償。補償通過補償文件進行，以Z 軸作為補償軸，補償起始點為100mm(絕對坐標 ) ，補償間隔為 100mm，補償終止點為 1200mm(絕對坐標 ) 。首先設定螺補軸的補償參數 ( 見表 1) 。系統在下一次上電時將對系統內存進行重新分配，用戶信息如零件程序、固定循環、刀具參數等會被清除，所以設定參數之前應將用戶信息卸載到計算機中。然后利用工具盒盤中的 TRANS802.BAT將螺補文件讀入計算機中，填入數據后傳回數控系統。設置螺補功能激活參數 :需要注意 ,MD3

9、2700 = 1 時， 802S/ C 內部補償文件自動進入寫保護狀態。如果需要修改補償值，須先修改補償文件，還須將 MD32700 = 0，待補償值輸入 802S/ C 后再恢復 MD32700 =1。系統再次上電，螺補功能設定完畢。需要注意，螺距誤差補償是按軸進行的，且必須返回參考點后才會生效。2. 國內螺距誤差補償方法目前 , 國內外都在開展通過軟件對數控機床進行誤差補償，取得了一定進展。由于各數控系統存在封閉性，因而難于實現統一融合。激光干涉儀對誤差的測量精度很高，但價格昂貴，需要專人操作, 不適宜在生產現場環境下工作。而數控系統生產廠家進行螺距誤差的補償, 又需要手動輸入數據，計算復

10、雜，容易出錯。 而步距規測量制造簡單，操作方便，可以滿足大多數數控機床的要求，特別適用于我國國情和大批量的數控機床機電聯調的需要。因此以步距規為測量基準，充分利用擁有自主版權的華中數控系統，實現對非高精度半閉環數控機床運動精度的評價和螺距誤差的自動補償，并用激光干涉儀對機床補償前后的位置精度作出評價。大量實驗以及現場應用證明了這一方法的可行性, 并以此作為華中數控系統的一個功能模塊，投入現場生產應用。只要采用高精度的測量方法，稍加修改，即可對高精度機床進行螺距誤差的自動補償。因此在國內以步距規為測量基準而代表性的是華中數控系統，所以下面介紹華中的數控的螺距誤差補償方法。（1）螺距誤差補償原理在

11、機床坐標系中，在無補償的條件下，于軸線測量行程內將測量行程分為若干段，測量出各目標位置Pi 的平均位置偏差 xi ，把平均位置偏差反向疊加到數控系統的插補指令上，實際運動位置為Pij=Pi+xi，使誤差部分抵消，實現誤差的補償。（2）螺距誤差測定程序圖1為步距規結構圖。因步距規測定精度時操作簡單而在批量生產中被廣泛采用，步距規經精密加工后，用三坐標測量機或激光干涉儀校準，以步距規為測量基準，對非高精度半閉環數控機床運動精度的評價和螺距誤差的自動補償十分方便。步距規測量誤差主要由以下幾方面組成：測量基準面和步距規軸線垂直度誤差；測量時步距規軸線和測量軸線的平行度誤差；由于不在同一直線測量而引起的

12、阿貝誤差；杠桿千分表帶來的誤差。本文給出利用步距規測定機床螺距誤差的數控程序：%0008；文件頭G92 X0 Y0 Z0 ；建立臨時坐標（應該從參考點位置開始）WHILETRUE；循環次數不限，即死循環#1=P1 輸入步距規 P1點尺寸#2=P2；輸入步距規 P2點尺寸#3=P3；輸入步距規 P3點尺寸#4=P4；輸入步距規 P4點尺寸區性#5=P5；輸入步距規 P5點尺寸G90 G01 X5 F1500；X 軸正向移動 5mmG01 Y15 F1500；Y 軸正向移動 15mm，將表頭從步距規測量面上移開N05 X0； X 軸負向移動 5mm后返回測量位置，并消除反向間隙，此時測量系統清零G

13、01 Y0 F300；Y 軸負向移動 15mm，讓表頭回到步距測量面G04 X5；暫停 5s，記錄表針讀數G01 Y15 F1500X-#1；負向移動，使表頭移動到（I=1 ，Pi=P1，下同）點Y0 F300G04 X5；暫停 5s，測量系統記錄數據G01 Y15 F1500X-#2；負向移動，使表頭移動到P2 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#3；負向移動，使表頭移動到P3 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#4；負向移動，使表頭移動到P4 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#5；負向移動，使表頭移動到P5 點Y0

14、F300G04 X5G01 Y15 F1500x- （#5+5）；負向移動 5mm（越程）X-#5；越程后正向移動至 P5 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#4；正向移動至 P4 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#3；正向移動至 P3 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#2；正向移動至 P2 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#1；正向移動至 P1 點Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X0；正向移動至 P0 點Y0 F300G04 X5ENDW；循環程序尾M02；程序結束（3）

15、螺距誤差的補償方法1. 在開機后進行回零操作。2. 在華中數控系統中，依次按參數F3 鍵、輸入權限 F3 鍵進入下一子菜單，按數控廠家參數 F1 鍵，輸入數控廠家權限口令，再按參數索引 F1鍵、軸補償參數 F4 鍵，移動光標選擇“ 0 軸”后回車進入系統 X 軸補償參數界面（ 0 軸對應機床的 X軸， 1 軸對應 Y 軸， 2 軸對應 Z 軸）。將系反向間隙、螺距補償參數全部設置為零后，按 Esc 鍵，再連按兩次“ Y”保存設置。3. 運行測定程序，將步距規實際尺寸P1， P2，·····， P1填入測量程序中，并在上述螺距補償界面內依次輸入偏

16、差值。（偏差值 =指令機床坐標值 - 實際機床坐標值）4. 補償參數輸入完成后，按 Esc 鍵，再按“ Y”鍵保存輸入的參數，按 F10 鍵回到主界面，接著退出系統，補償后的參數立即開始生效。5. 實驗數據如表 1 所示。從實驗結果表明，數控機床的螺距誤差經補償后已得到很大改善，這種方法可以有效地補償機床的螺距誤差，可以提高機床的精度，延長機床使用壽命。三 . 數控加工螺距誤差補償的發展趨勢數控技術是制造業實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎，是關系到國家戰略地位和體現國家綜合國力水平的重要基礎性產業，其水平的高低和擁有量的多少是衡量一個國家工業現代化的重要標志。作為機加工行業的首選設備，數控

17、機床的使用量日益增加，隨著零件加工精度要求的不斷提高，除要求數控機床本身具有較高精度外，還需要采用各種誤差補償技術，在加工過程中對誤差進行自動補償。螺距誤差補償技術是提高加工精度的一個方向，其發展勢在必行。等間距補償簡單易行，成本較低，對我國大量普通機床的技術改造以及中低檔數控機床的精度提高具有一定適用價值，但該方法補償點的位置一般是固定的，數據補償后就無法改變。而機床的實際情況往往會發生變化，如機床坐標軸長度不一，機床使用一段時間后磨損情況也各不相同，坐標軸的中間區域由于使用頻率高，精度喪失快；而兩端使用較少，磨損也較小；而對于高精度的數控機床，等間距螺距誤差補償很難適應坐標軸磨損動態變化的

18、實際情況，一般需要采用以雙頻激光干涉儀作為測量環節的動態誤差補償。動態補償也稱為在線補償，是一種借助機床配置的實時位置檢測系統所測得的數值控制機床運動軸定位的控制方法。動態補償操作較復雜，成本較高，但對機床精度提高效果顯著，尤其適用于高精度小型、微形零件加工用數控機床?；陔p頻激光干涉儀的動態補償(1) 雙頻激光干涉儀工作原理如下圖所示 , 利用賽曼效應，激光器 1產生的光束經 / 4 波片 2和分光器 3后變為振動方向相互垂直、頻率分別為f1 和f2 的線偏振光。由分光器 3反射的光束送入檢偏比較器 8 產生拍頻作為參考信號。透過分光器3的光束在偏振分光器4中分為兩路，平行于分光鏡面的f2

19、信號通過分光器到達裝在機床移動部件上的反射鏡 5，當機床以一定速度移動時, 由于多普勒效應而產生差頻f， f2 信號變為 f2 +f ；垂直于分光鏡面的f1 信號反射到固定反射鏡6上，經再次反射后兩路信號在偏振分光器4中會合，但此時的信號中已含有機床移動信息f ；經反射鏡 7后送入檢偏比較器 8，兩路信號比較后的脈沖差值即為機床的實際移動距離。（ 2）螺距誤差動態補償的實現螺距誤差動態補償實現對數控機床螺距誤差進行動態補償的系統原理見下圖所示 :通過串口 RS232將計算機與 SINUMERIK802S/ C系統的 CNC 控制器相聯接，用 Delphi 編寫自動控制軟件，由計算機控制雙頻激光干涉儀與數控機床同步工作，并對數控機床的實際位置進行測量；計算機通過數據采集卡采集雙頻激光干涉儀的測量數據，并與CNC 譯碼器輸出的指令值進行比較，其差值送入計算機進行處理；誤差補償軟件將計算出的誤差補償值通過補償接口輸入數控系統進行動態誤差補償。(3) 誤差補償實例對一臺 SINUMERIK 802S/ C 系統數控機床的 X軸螺距誤差進行補償 , 補償前后的精度曲線對比見下圖。由圖可知，在對螺距誤差進行動態補償后，機床的位置控制精度得到顯著提高，加工性能得到很大改善，而對加工零件的測量結果也證明了這一點。四結語螺距誤差補償不僅是調試新機床的重要一環，而且是在舊機床使用一段時