数控车床丝杠螺距误差的补偿

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。