大学设计(设计)文献综述

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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： 计算工作台离开补偿基准点的距离。Di = Ri - RE

6、F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 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。 确定当前位置所对应的补偿点号Ni 。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。 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。 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 < Ni - 1，补偿

7、值 i取 IFC(Ni) ，否则，取 - IFC(Ni - 1)。 修正位置反馈增量及当前位置坐标。 Ri + iRiRi +iRi（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：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）；编制简单程序，在整个行程上顺序设置一些位置点；测量并记录运行到这些位置点时的实际精确位置；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；通过多次测量，取平均

8、值；将修正表输入数控系统, 按此表进行误差补。以SINUMERIK 802S/ 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) 。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 :需要注意 ,MD3

9、2700 = 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

10、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。大量实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

11、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。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

12、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G92 X0 Y0 Z0 ；建立临时坐标（应该从参考点位置开始）WHILETRUE；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G90 G01 X5 F1500；X 轴正向移动 5mmG01 Y15 F1500；Y 轴正向移动 15mm，将表头从步距规测量面上移开N05 X0； 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G

13、01 Y0 F300；Y 轴负向移动 15mm，让表头回到步距测量面G04 X5；暂停 5s，记录表针读数G01 Y15 F1500X-#1；负向移动，使表头移动到（I=1 ，Pi=P1，下同）点Y0 F300G04 X5；暂停 5s，测量系统记录数据G01 Y15 F1500X-#2；负向移动，使表头移动到P2 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#3；负向移动，使表头移动到P3 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#4；负向移动，使表头移动到P4 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#5；负向移动，使表头移动到P5 点Y0

14、F300G04 X5G01 Y15 F1500x- （#5+5）；负向移动 5mm（越程）X-#5；越程后正向移动至 P5 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#4；正向移动至 P4 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#3；正向移动至 P3 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#2；正向移动至 P2 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X-#1；正向移动至 P1 点Y0 F300G04 X5G01 Y15 F1500X0；正向移动至 P0 点Y0 F300G04 X5ENDW；循环程序尾M02；程序结束（3）

15、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 轴补偿参数界面（ 0 轴对应机床的 X轴， 1 轴对应 Y 轴， 2 轴对应 Z 轴）。将系反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零后，按 Esc 键，再连按两次“ Y”保存设置。3. 运行测定程序，将步距规实际尺寸P1， P2，·····， P1填入测量程序中，并在上述螺距补偿界面内依次输入偏

16、差值。（偏差值 =指令机床坐标值 - 实际机床坐标值）4. 补偿参数输入完成后，按 Esc 键，再按“ Y”键保存输入的参数，按 F10 键回到主界面，接着退出系统，补偿后的参数立即开始生效。5. 实验数据如表 1 所示。从实验结果表明，数控机床的螺距误差经补偿后已得到很大改善，这种方法可以有效地补偿机床的螺距误差，可以提高机床的精度，延长机床使用寿命。三 . 数控加工螺距误差补偿的发展趋势数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。作为机加工行业的首选设备，数控

17、机床的使用量日益增加，随着零件加工精度要求的不断提高，除要求数控机床本身具有较高精度外，还需要采用各种误差补偿技术，在加工过程中对误差进行自动补偿。螺距误差补偿技术是提高加工精度的一个方向，其发展势在必行。等间距补偿简单易行，成本较低，对我国大量普通机床的技术改造以及中低档数控机床的精度提高具有一定适用价值，但该方法补偿点的位置一般是固定的，数据补偿后就无法改变。而机床的实际情况往往会发生变化，如机床坐标轴长度不一，机床使用一段时间后磨损情况也各不相同，坐标轴的中间区域由于使用频率高，精度丧失快；而两端使用较少，磨损也较小；而对于高精度的数控机床，等间距螺距误差补偿很难适应坐标轴磨损动态变化的

18、实际情况，一般需要采用以双频激光干涉仪作为测量环节的动态误差补偿。动态补偿也称为在线补偿，是一种借助机床配置的实时位置检测系统所测得的数值控制机床运动轴定位的控制方法。动态补偿操作较复杂，成本较高，但对机床精度提高效果显著，尤其适用于高精度小型、微形零件加工用数控机床。基于双频激光干涉仪的动态补偿(1) 双频激光干涉仪工作原理如下图所示 , 利用赛曼效应，激光器 1产生的光束经 / 4 波片 2和分光器 3后变为振动方向相互垂直、频率分别为f1 和f2 的线偏振光。由分光器 3反射的光束送入检偏比较器 8 产生拍频作为参考信号。透过分光器3的光束在偏振分光器4中分为两路，平行于分光镜面的f2

19、信号通过分光器到达装在机床移动部件上的反射镜 5，当机床以一定速度移动时, 由于多普勒效应而产生差频f， f2 信号变为 f2 +f ；垂直于分光镜面的f1 信号反射到固定反射镜6上，经再次反射后两路信号在偏振分光器4中会合，但此时的信号中已含有机床移动信息f ；经反射镜 7后送入检偏比较器 8，两路信号比较后的脉冲差值即为机床的实际移动距离。（ 2）螺距误差动态补偿的实现螺距误差动态补偿实现对数控机床螺距误差进行动态补偿的系统原理见下图所示 :通过串口 RS232将计算机与 SINUMERIK802S/ C系统的 CNC 控制器相联接，用 Delphi 编写自动控制软件，由计算机控制双频激光干涉仪与数控机床同步工作，并对数控机床的实际位置进行测量；计算机通过数据采集卡采集双频激光干涉仪的测量数据，并与CNC 译码器输出的指令值进行比较，其差值送入计算机进行处理；误差补偿软件将计算出的误差补偿值通过补偿接口输入数控系统进行动态误差补偿。(3) 误差补偿实例对一台 SINUMERIK 802S/ C 系统数控机床的 X轴螺距误差进行补偿 , 补偿前后的精度曲线对比见下图。由图可知，在对螺距误差进行动态补偿后，机床的位置控制精度得到显著提高，加工性能得到很大改善，而对加工零件的测量结果也证明了这一点。四结语螺距误差补偿不仅是调试新机床的重要一环，而且是在旧机床使用一段时