数控机床螺距误差补偿与分析.docx
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数控机床螺距误差补偿与分析
・工艺与装备・
文章编号:
1001-2265（2010）02-0098-04
组合机床与自动化加工技术
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RENISHAW公司的ML10激光干涉仪对FANUC0i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:
A
TheCompensationandAnalysisofPitchErrorforNCMachiningTools
LIJi2zhong
（ShenzhenPolytechnic,）
Abstract:
2
2、’2
Keywords:
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。
螺距误差的补偿分为实时动态补偿与静态均化补偿两种方式。
实时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。
这种补偿方式可显著提高机床的定位精度,但对机床系统的要求较高,机床成本相应增加。
静态均化补偿是这样的一种控制方法:
事先将螺距误差的均化值（补偿值）存储在数控系统参数表中,待补偿值生效后,数控系统自动将目标位置的补偿值叠加到插补指令上,均化误差部分,实现螺距误差的补偿,下面主要介绍静态均化补偿法。
2 螺距误差补偿的依据与原理
螺距误差补偿的依据是GB/T174211222000《机床检验通则第2部分数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定》。
螺距误差补偿涉及到补偿点的位置偏差,如图1所示。
由图1可知,螺距误差的补偿分为单向
[122]
补偿和双向补偿。
图1中Pi为测量目标点,Pi↑、Pi↓分别为双向趋
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@。
・98・
2010年第2期
・工艺与装备・
图1 位置偏差
近目标点时的实际位置:
Xi↑=Pi↑-Pi;Xi↓=Pi↓-Pi
Xi↑=
（1）
n
n
∑X
j=1
ij
↑;Xi↓=
n
n
∑X
j=1
ij
↓,式中n=5
（2）
（3）（4）
Pi=Pi↑+Xij↑Pi=Pi↓+Xij↓
图2 RENISHAWML10激光干涉仪光学组件安装
与光路示意图[11212]（测量X轴）
（4）即为机床轴线双向补偿的数学依上述式（3）、
[1]
据。
从上述补偿机理可知,静态均化补偿法实际上是一种借助数控系统控制功能的软件补偿法。
根据数控系统的控制功能,螺距误差的软件补偿涉及到以下几
[324]
个关键变量。
（1）机床轴线的参考点补偿点号;
（2）轴线负端最远补偿点号;（3）轴线正端最远补偿点号;（4）;（5）。
补偿原理一般是（参考点）,以原点为中心设定补偿点,补偿间隔相等,并在补偿间隔的中点执行补偿。
由此可以看出,静态均化补偿是一种统计补偿法,是以区间为单位进行补偿的,并不是实时位置点的补偿,与实时在线补偿有本质上的区别。
上述各变量值存储在数控系统的参数中。
下面以FANUC0i系统为例,介绍螺距误差补偿的具体执行方法。
（4）按指定间距生成新的补偿数据文件,并传入NC中;
（5）比较补偿前后的测量数据与机床性能。
若未配置自动补偿软件,则必须记录补偿前的补偿数据,NC参数中。
600mm,丝杆螺距,1所示。
10i系统立式铣床X轴
螺距误差补偿参数设置表
参数号
PRM#3620PRM#3621PRM#3621PRM#3623PRM#3624
设定值
201201
说明
对应设置X轴参考点的螺距误差补偿点号设置X轴负方向最远一端的螺距误差补偿点号设置X轴正方向最远一端的螺距误差补偿点号设置X轴螺距误差补偿倍率
[13]
30000X轴螺距误差补偿点间距,单位:
微米
测量时,NC的运行程序
O0023;
如下:
N0020G54G91G01X0.F1000;#1=0;#2=5;#3=0;#4=19;N0070G04X4.;N0080G01X-30.;G04X4.;#3=#3+1;
IF[#3NE#4]GOTO80;从第1点负向走到第20点N0120G04X4.;G01X30.;#3=#3-1;
IF[#3NE0]GOTO120;从第20点正向走到第1点G04X4.;#1=#1+1;
IF[#1NE#2]GOTO70;5次全行程负、正向循环M30;%
3 螺距误差的测量与补偿
螺距误差的测量与补偿有两种方式,手动测量与
补偿、自动测量与补偿。
手动测量与补偿借助步距规与千分表进行测量,然后再将检测的计算值输入数控系统参数中。
自动方式一般采用激光干涉仪与补偿软件对机床轴线进行检测与自动补偿。
如果严格按照GB/T1742112所规定的方法进行检测,手动方式很难实施,容易出错,且效率低,因此,目前主要以自动方式
[5210]
为主。
以RENISHAW公司的ML10激光干涉仪测量FANUC0i系统立式铣床为例介绍螺距误差自动测量与补偿。
按图2所示安装ML10激光干涉仪的相关器件,并保证反射光的光强满足测试要求。
[11212]
操作步骤如下:
（1）备份NC中原螺距误差补偿数据文件（“OMP”格式）,以供补偿前后对比分析;
（2）清除原补偿数据（包括反向差值与各设定点螺距误差补偿值）;生成NC运行程序,并传入NC中;
（3）测量设定点的定位误差;
第一次的测量数据如图3所示。
[4]
将图3中的反向差值“24”输入参数PRM#1851（反向偏差值补偿参数）对应的X轴栏目中,并让X轴
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・工艺与装备・4 分析组合机床与自动化加工技术
图3 X轴第一次测量数据
重新回零（手动返回参考点）,再次进行测量,测量结果如图4所示。
图4 对X轴反向差值补偿后的测量值
在图4的基础上,将对应的螺距误差补偿值输入NC中,对应X轴的补偿参数表如图5所示,再次进行测量,得到测量数据如图6所示
。
由图6与图4所测数据对比可以看出,经过螺距误差的补偿后,X轴的螺距误差已经得到均化补偿,除了第2、3、4、6、7、14、18点处还存在需补偿的微量值（绝对值为1微米）之外,其它点均不再需要补偿。
实际上,按图4进行补偿后,对机床的定位精度和重复定位精度进行测量,补偿前的数据分别是715、619微米,补偿后,其对应的数据分别为314、311微米,X轴的精度得到了明显的提高。
对于FANUC系统,当螺距误差的补偿值（后一个点的补偿均值减去前一个点的补偿均值）在0～±7间时,补偿倍率设为,若补偿,,当机床,其补偿值为该点补偿值（参数表中的值）乘以补偿倍率。
FANUC0系统的最小补偿间距为最大快速移动速度（快速进给速度）/1875（mm）[3]170;FANUC0i系统的最小补偿间距为最大快速移动速度/7500（mm）,若补偿点的补偿量绝对值超过100时,螺距误差补偿点间隔最小值=（最大快速移动速度/7500）×倍数,其中倍数=最大补偿量（绝对值）/128（小数点后的数进[4]180上）。
数控机床的精度主要取决于机械结构与控制系统
的精度。
影响机械结构精度的因素主要有机床的几何精度和传动机构的间隙、传动副的传动精度等,机床机械结构精度主要通过调整机械结构、补偿传动副的间隙或精度来保证。
影响控制系统精度的因素主要有控制算法误差、位置检测装置误差、系统的响应特性、系统性能的匹配性（主要通过系统参数调整与优化实现）等,这部分精度主要通过优化伺服控制系统的参数得
到保证,关键是保证控制系统工作在最佳的匹配状态。
目前各品牌数控系统均有相应的控制优化软件,优化调整与配置伺服控制系统的参数,如FANUC系统的SERVOGUIDE、SIEMENS系统的SimComu等优化软件是优化配置伺服控制系统参数的一种有效工具,并能提供机床伺服控制系统工作性能的评价,当然完全靠优化软件是不够的,还必须有机床控制系统的调试经验,凭借经验,在优化软件优化的基础上,再对图5 X
轴螺距误差补偿点及其补偿值表
图6 X轴螺距误差补偿后的测量数据
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2010年第2期
・工艺与装备・
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BEIJING2FANUC,2004.
（编辑 赵蓉）
相关参数进行调整,即可保证机床系统工作在理想的
状态下。
采用滚珠丝杆传动时,机床位置精度的补偿主要有反向偏差补偿和螺距误差补偿。
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性能。
在仿真模型经过1000,仿真结果。
如图6所示,加工设备响生产的顺利进行,可增加工序,M8的利用率偏高,超过95%,M8比较忙碌,人员
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