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项目数控车床丝杠螺距误差的补偿一、工作任务及目标1．本项目的学习任务（1）学习数控车床丝杠螺距误差的测量和计算方法；（2）学习数控车床螺距误差参数的设置方法。
2．通过此项目的学习要达到以下目标（1）了解螺距误差补偿的必要性；（2）掌握螺距误差补偿的测量和计算方法；（3）能够正确设置螺距误差参数。
二、相关知识滚珠丝杠螺母机构数控机床进给传动装置一般是由电机通过联轴器带动滚珠丝杆旋转，由滚珠丝杆螺母机构将回转运动转换为直线运动。
1、滚珠丝杠螺母机构的结构滚珠丝杠螺母机构的工作原理见图1；在丝杠1 和螺母 4 上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来变成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。
当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。
螺母螺旋槽的两端用回珠管 3 连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。
2、进给传动误差螺距误差：丝杠导程的实际值与理论值的偏差。
例如PⅢ级滚珠丝杠副的螺距公差为0.012mm/300mm。
反向间隙：即丝杠和螺母无相对转动时丝杠和螺母之间的最大窜动。
由于螺母结构本身的游隙以及其受轴向载荷后的弹性变形，滚珠丝杠螺母机构存在轴向间隙，该轴向间隙在丝杠反向转动时表现为丝杠转动α角，而螺母未移动，则形成了反向间隙。
为了保证丝杠和螺母之间的灵活运动，必须有一定的反向间隙。
但反向间隙过大将严重影响机床精度。
因此数控机床进给系统所使用的滚珠丝杠副必须有可靠的轴向间隙调节机构。
图2为常用的双螺母螺纹调隙式结构，它用平键限制了螺母在螺母座内的转动，调整时只要扮动圆螺母就能将滚珠螺母沿轴向移动一定距离，在将反向间隙减小到规定的范围后，将其锁紧。
3、电机与丝杠的联接、传动方式直联：用联轴器将电机轴和丝杠沿轴线联接，其传动比为1：1；该联接方式传动时无间隙；同步带传动：同步带轮固定在电机轴和丝杠上，用同步带传递扭矩；该传动方式传动比由同步带轮齿数比确定，传动平稳，但有传动间隙；齿轮传动：电机通过齿轮或齿轮箱将扭矩传到丝杠，传动比可根据需要确定；该方式传递扭矩大，但有传动间隙。
文章编号:1001-2265(2010)02-0098-04收稿日期:2009-09-29;修回日期:2009-10-26作者简介:李继中(1963—),男,湖南人,深圳职业技术学院高级工程师,副处长,从事数控技术研究,(E -mail )ljizhong@szp t .edu .cn 。
数控机床螺距误差补偿与分析李继中(深圳职业技术学院,深圳 518055)摘要:文章通过实例介绍数控机床滚珠丝杆传动机构的螺距误差的测量、补偿依据、补偿方法与操作要点,以及补偿效果的验证与分析。
通过利用英国REN I SHAW 公司的ML10激光干涉仪对F ANUC 0i 系统数控铣床X 轴的螺距误差进行测量、补偿及验证,结果说明,对滚珠丝杆传动机构的反向偏差与螺距误差进行补偿是提高机床精度的一种重要手段。
关键词:滚珠丝杆;螺距误差;反向偏差;补偿;定位精度;激光干涉仪中图分类号:TH16;TG65 文献标识码:AThe Com pen s a ti on and Ana lysis of P itch Error for NC M ach i n i n g ToolsL I J i 2zhong(Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518055,China )Abstract:22、’2Key words:0 引言目前,机床的传动机构一般均为滚珠丝杆副。
当机床几何精度得到保证后,机床轴线的反向偏差与滚珠丝杆的螺距误差是影响机床定位精度与重复定位精度的主要因素,对机床轴线的反向偏差、滚珠丝杆的螺距误差进行补偿能极大地提高机床精度,机床控制系统也对这个两个补偿参量设置了专门的参数,供轴线误差补偿之用,并将其补偿功能作为控制系统的基本控制功能。
1 螺距误差的补偿方式由于加工设备的精度及加工条件的变化影响,滚珠丝杆都存在螺距误差。
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;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。
项目数控车床丝杠螺距误差的补偿一、工作任务及目标1．本项目的学习任务（1）学习数控车床丝杠螺距误差的测量和计算方法；（2）学习数控车床螺距误差参数的设置方法。
2．通过此项目的学习要达到以下目标（1）了解螺距误差补偿的必要性；（2）掌握螺距误差补偿的测量和计算方法；（3）能够正确设置螺距误差参数。
二、相关知识滚珠丝杠螺母机构数控机床进给传动装置一般是由电机通过联轴器带动滚珠丝杆旋转，由滚珠丝杆螺母机构将回转运动转换为直线运动。
1、滚珠丝杠螺母机构的结构滚珠丝杠螺母机构的工作原理见图1；在丝杠1 和螺母 4 上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来变成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。
当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。
螺母螺旋槽的两端用回珠管 3 连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。
2、进给传动误差螺距误差：丝杠导程的实际值与理论值的偏差。
例如PⅢ级滚珠丝杠副的螺距公差为0.012mm/300mm。
反向间隙：即丝杠和螺母无相对转动时丝杠和螺母之间的最大窜动。
由于螺母结构本身的游隙以及其受轴向载荷后的弹性变形，滚珠丝杠螺母机构存在轴向间隙，该轴向间隙在丝杠反向转动时表现为丝杠转动α角，而螺母未移动，则形成了反向间隙。
为了保证丝杠和螺母之间的灵活运动，必须有一定的反向间隙。
但反向间隙过大将严重影响机床精度。
因此数控机床进给系统所使用的滚珠丝杠副必须有可靠的轴向间隙调节机构。
图2为常用的双螺母螺纹调隙式结构，它用平键限制了螺母在螺母座内的转动，调整时只要扮动圆螺母就能将滚珠螺母沿轴向移动一定距离，在将反向间隙减小到规定的范围后，将其锁紧。
3、电机与丝杠的联接、传动方式直联：用联轴器将电机轴和丝杠沿轴线联接，其传动比为1：1；该联接方式传动时无间隙；同步带传动：同步带轮固定在电机轴和丝杠上，用同步带传递扭矩；该传动方式传动比由同步带轮齿数比确定，传动平稳，但有传动间隙；齿轮传动：电机通过齿轮或齿轮箱将扭矩传到丝杠，传动比可根据需要确定；该方式传递扭矩大，但有传动间隙。
螺距误差测定及补偿任务内容螺距误差补偿原理VDF850加工中心螺距误差补偿数控机床以其高效高精度，正在机械制造企业中广泛应用。
目前数控机床的传动机构一般采用传动精度较高的滚珠丝杠，滚珠丝杠在生产制造时由于加工设备的精度和加工条件的变化，丝杠和螺母之间存在着误差，如螺距的轴向误差、螺纹滚道的形状误差、直径误差等。
滚珠丝杠在数控机床上进行装配时，由于采用双支撑结构，使丝杠工作载荷较大时轴向尺寸发生变化造成其螺距误差增大。
滚珠丝杠产生的传动误差在全闭环数控机床中由于检测原件（如光栅尺）检测的是机床运动部件的实际位移，将不会对机床加工精度造成影响；而对于工厂中大量使用的半闭环数控机床而言，丝杠、齿形带等机械传动造成的误差不在反馈原件检测范围内，因此若不对此类误差进行适当修正和补偿，势必影响数控机床的定位精度，造成加工质量的不稳定。
要得到高的运动精度和良好的加工质量，必须采用螺距误差补偿功能，精确测量出丝杠不同位置的误差值，利用数控系统对螺距误差进行自动补偿与修正[1]。
另外，数控机床经过长期使用，由于丝杠磨损，运动精度也会下降。
采用该功能定期检测与补偿，可以延长数控机床的使用寿命，保证加工精度。
一、螺距误差补偿原理螺距误差补偿的基本原理是在某进给轴上利用高精度位置检测仪器所测良出的位置（可作为理论位置用）与机床实际运动位置进行比较，计算出该轴全行程上的误差曲线，并将不同位置的误差值输入数控系统中。
机床在经过补偿的轴上运动时，数控系统会根据该位置的补偿数据，自动对该轴的不同位置进行误差补偿，从而减小或消除该轴该位置的定位误差。
螺距误差补偿分单向和双向补偿两种，单向补偿为补偿轴正反向移动时采用相同的数据补偿；而双向补偿为进给轴正反移动时采用不同的数据进行补偿。
由于数控机床丝杠装配时有多种反向间隙消减措施，而且大部分数控机床除了能够进行螺距误差补偿外，还可以进行反向间隙补偿，所以通常仅采用单向螺距误差补偿。
进行螺距误差补偿时应该注意的几个问题：（1）螺距误差补偿仅对定位精度进行补偿，而对重复定位精度无法补偿，而且对于重复定位精度较低的运动轴，由于无法准确确定某点位置误差，因此螺距误差补偿将不会起到预期目的。
项目数控车床丝杠螺距误差的补偿
一、工作任务及目标
1．本项目的学习任务
（1）学习数控车床丝杠螺距误差的测量和计算方法；
（2）学习数控车床螺距误差参数的设置方法。
2．通过此项目的学习要达到以下目标
（1）了解螺距误差补偿的必要性；
（2）掌握螺距误差补偿的测量和计算方法；
（3）能够正确设置螺距误差参数。
二、相关知识
滚珠丝杠螺母机构
数控机床进给传动装置一般是由电机通过联轴器带动滚珠丝杆旋转，由滚珠丝杆螺母机构将回转运动转换为直线运动。
1、滚珠丝杠螺母机构的结构
滚珠丝杠螺母机构的工作原理见图 1；在丝杠1 和螺母 4 上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来变成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠 2。
当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。
螺母螺旋槽的两端用回珠管 3 连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。
2、进给传动误差
螺距误差：丝杠导程的实际值与理论值的偏差。
例如 PⅢ级滚珠丝杠副的螺距公差为 0.012mm/300mm。
反向间隙：即丝杠和螺母无相对转动时丝杠和螺母之间的最大窜动。
由于螺母
结构本身的游隙以及其受轴向载荷后的弹性变形，滚珠丝杠螺母机构存在轴向间隙，该轴向间隙在丝杠反向转动时表现为丝杠转动α角，而螺母未移动，则形成了反向间隙。
为了保证丝杠和螺母之间的灵活运动，必须有一定的反向间隙。
但反向间隙过大将严重影响机床精度。
因此数控机床进给系统所使用的滚珠丝杠副必须有可靠的轴向间隙调节机构。
图2为常用的双螺母螺纹调隙式结构，它
用平键限制了螺母在螺母座内的转动，调整时只要扮动圆螺母就能将滚珠螺母沿轴向移动一定距离，在将反向间隙减小到规定的范围后，将其锁紧。
3、电机与丝杠的联接、传动方式
直联：用联轴器将电机轴和丝杠沿轴线联接，其传动比为 1：1；该联接方式传动时无间隙；
同步带传动：同步带轮固定在电机轴和丝杠上，用同步带传递扭矩；该传动方式传动比由同步带轮齿数比确定，传动平稳，但有传动间隙；
齿轮传动：电机通过齿轮或齿轮箱将扭矩传到丝杠，传动比可根据需要确定；该方式传递扭矩大，但有传动间隙。
同步带传动、齿轮传动中的间隙是产生数控机床反向间隙差值的原因之一。
三、数控系统的半闭环控制
开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置到进给系统）。
故系统结构简单，但由于无位置反馈，机床的控制精度低，容易丢步。
适用于经济型数控机床
半闭环数控系统是在驱动装置(常用伺服电机)或丝杠上安装旋转编码器，采样旋转角度进行位置反馈，因此，其结构简单，不会丢步。
但由于不是直接检测运动部件的实际移动位置，机床进给传动链的反向间隙误差和丝杠螺距误差仍然会影响机床的精度。
适用于普及型（中档）数控机床。
全闭环数控系统通过光栅尺，直接对运动部件的实际移动位置进行检测，消除了机床进给传动链的反向间隙误差和丝杠螺距误差对机床精度的影响。
因此其控制精度高，但结构复杂，成本高，易形成振荡，调试周期长。
适用于高档高精度数控机床。
5.1螺距补偿原理
数控机床软件补偿的基本原理是在机床
的机床坐标系中，在无补偿的条件下，在轴
线测量行程内将测量行程等分为若干段，测
量出各目标位置P;的平均位置偏差x;
把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插
补指令上，如下图8所示，指令要求沿X轴运动到目标位置P;，目标实际位置为P }.i，该点的平均位置偏差为x，个;将该值输入系统，则系统CNC在计算时自动将目标位置P;的平均位置偏差x，个叠加到插补指令上，实际运动位置
为:P}.i=P.+ x; 使误差部分抵消，实现误差的补偿。
螺距误差可进行单向和双向补偿。
5.2反向间隙补偿
反向间隙补偿又称为齿隙补偿。
机械传动
链在改变转向时，由十反向间隙的存在，会引
起伺服电机的空转，}fU无工作台的实际运动，
又称失动。
反向间隙补偿原理是在无补偿的条件下，在轴线测量行程内将测量行程等分为若干段，测量出各目标位置P;的平均反向差值B，作为机床的补偿参数输入系统。
CNC系统在控制坐标轴反向运动时，自动先让该坐标反向运动B 值，然后按指令进行运动。
如图9所示，工作台正向移动到O点，然后反向移动到P;点，反向时，电机(丝杆)先反向移动B，后移动到Pi点;该过程CNC系统实际指令运
动值L为:L=P;+ B
反向间隙补偿在坐标轴处十任何方式时均有效。
在系统进行了双向螺距补偿
时，双向螺距补偿的值已经包含了反向间隙，因此，此时不需设置反向间隙的补偿值。
5.3误差补偿的适用范围
从数控机床进给传动装置的结构和数控系统的二种控制方法可知，误差补偿对
半闭环控制系统和开环控制系统具有显著的效果，可明显提高数控机床的定位精度和I重复定位精度。
对全闭环数控系统，由十其控制精度高，采用误差补偿的效果不显著，但也可进行误差补偿。
（一）丝杠螺距误差补偿的必要性
数控机床的直线轴精度表现在进给轴上主要有三项精度：反向间隙、定位精度和重复定位精度，其中反向间隙、重复定位精度可以通过机械装置的调整来实现，而定位精度在很大程度上取决于直线轴传动链中滚珠丝杠的螺距制造精度。
在数控车床生产制造及加工应用中，在调整好机床反向间隙、重复定位精度后，要减小定位误差，用数控系统的螺距误差螺距补偿功能是最节约成本且直接有效的方法。
由于滚珠丝杠副在加工和安装过程中存在误差，因此滚珠丝杠副将回转运动转换为直线运动时存在以下两种误差。
①螺距误差，即丝杠导程的实际值与理论值的偏差②反向间隙，即丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大窜动。
定位精度的测量仪器可以用激光干涉仪、线纹尺、光栅尺数显表和步距规。
（二）反向间隙补偿
1．步骤一：设定参数
1800
2．步骤二：测量反向间隙值
（1）回参考点
（2）用切削进给使机床移动到测量点
指令：G01 X100.0 F300；
（3）安装百分表，将刻度对
（4）用切削进给，使机床沿相同方向移动到X200.0处
（5）用切削进给返回测量点X100.0处
（6）读取百分表的刻度
（7）按检测单位换算切削进给方式的间隙补偿量
3．步骤三：设置参数1851
参数
设定范围：-9999~+9999
（三）螺距误差补偿
步骤一：测量准备
（1）将Z轴光栅尺与数显表正确连接。
（2）设置滑台的机械坐标系零点，以及正负限位。
如下图所示，设置正限位为48，负限位为-257.
步骤二：设置如下参数：
图2 螺距误差补偿画面
步骤三：测量补偿值并记录
（1）在MDI方式下，输入“G98 G01 Z-257.0 F300”，按下自动循环按钮，滑台运动至Z轴-257mm位置。
（2）输入“G98 G01 Z-255.0 F300”，按下自动循环按钮，滑台运动至Z轴-255mm 位置。
注意：这一步是为了消除反向间隙误差。
（3）按下【单步】按键，把光栅尺数显表清零，输入“G98 G01 W20.0 F300”，按下自动循环按钮，滑台向Z轴正方向运动20mm，记录数显表读数后清零，再次运行以上程序，记录各次读数填入下表。
步骤四：输入补偿值，再次测量，观察补偿效果。
三、实训要点及实施
1．实训要点
（1）本实训项目实施计划根据FANUC 0i mate TD数控系统制定，在实际教学中，采用不同的系统，参数设置可能有所不同
（2）通过本项目要掌握滚珠丝杠反向间隙和螺距误差补偿方法，并能够正确输入补偿参数。
2．工具清单
工具：百分表1个，磁力表座1个，光栅尺数显表1个。
3．项目实施计划
（1）按照反向间隙补偿步骤对机床进行反向间隙的补偿。
（2）按照螺距误差补偿方法对机床进行螺距误差补偿。
四、实训项目报告
实训项目报告一
五、思考题
六、阅读资料。
