滚珠丝杠螺距误差补偿提高数控机床定位精度

  数控机床在加工时，从加工程序的计算到控制机床进行加工都是由数控系统自动控制的。由于操作者无法干预，避免了人为误差，但同时也有一些误差无法人为补偿。因此，对数控机床本身提出了更高的精度要求。在此基础上，还希望能充分发挥数控系统的功能，自动补偿数控机床的一些误差。

 对于开环和半闭环数控机床，其定位精度主要取决于进给丝杠的精度，因此数控机床往往采用高精度滚珠丝杠。但是螺丝总是有制造误差的，长期使用会导致磨损。因此，进一步提高机床定位精度的常用方法之一是对滚珠丝杠的螺距误差进行补偿。

 1、硬件法补偿滚珠丝杠螺距误差的原理

 以往在开环数控机床中，往往采用硬件方法补偿螺距误差，即采用机械方法测量数控机床中某轴滚珠丝杠的误差分布曲线，在螺距累积误差值达到一个脉冲当量的位置安装一个挡块。机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每接触一次挡块就发出误差补偿信号，通过控制电路指令步进电机多走或少走几步。

 这种间歇脉冲补偿方法增加了一些机械部件(如补偿杆、挡块等。)和电路(如将补偿信号从微动开关传输到数控装置的电路)到数控机床的工作台。此外，这种补偿方法更适用于步进电机驱动的开环数控机床和脉冲增量插补方法，而不适用于DC或交流伺服电机驱动的半闭环数控机床。因此，目前大多数数控机床都采用软件方法来补偿滚珠丝杠的螺距误差。

 2、软件法补偿滚珠丝杠螺距误差的原理。

 螺距误差软件补偿法的基本思想是：在数控机床某一轴上滚珠丝杠的整个行程范围内，用数控指令将工作台定位在某些位置作为指令位置，用高精度位置测量系统测量这些位置的实际位置(目前大部分使用激光干涉仪作为高精度测量仪器)，将这些实际位置与指令位置进行比较，计算出滚珠丝杠在整个行程内的误差分布曲线。误差以表格的形式输入到数控装置中。之后数控装置在控制轴运动时会自动考虑误差值并通过编制的程序进行补偿。

 3、测试装置及结果分析

 以数控立式铣床的纵向滚珠丝杠为例，该定向滚珠丝杠的有效工作长度为800mm，其300mm长度中每15mm为一个指令位置点。每个指令位置点的定位误差值测量(其分辨率为0。01 um)双频激光干涉仪。得到俯仰误差补偿前纵向工作台的定位误差曲线，如图中圈出的曲线所示。俯仰误差经软件方法补偿后，定位误差曲线如图中圆圈曲线所示。显然，通过螺距误差的补偿，数控机床的定位精度大大提高。

 螺距误差补偿是提高开环和半闭环数控机床定位精度的有效途径之一，但不是万能的。日常传动系统刚性和制造不精确造成的重复设定误差无法补偿。另外，螺杆的螺距误差与环境温度有很大关系。因此，要进一步提高数控机床的精度，只有采用全闭环数控系统。在全闭环数控系统中，螺距误差和其他一些误差都在位置闭环中，可以通过闭环来修正。