伺服系统中滚珠丝杠的热误差

伺服系统用于控制被控对象的某种状态，使其能够自动、连续、准确地再现输入信号的变化规律。伺服系统是一种自动控制系统，最早出现于20世纪，随着电力的应用而发展起来。伺服系统控制技术发展迅速，一方面是生产需求，特别是军用需求的动力；另一方面，它与控制装置、执行器和动力驱动装置的发展密切相关。

机械传动机构是伺服系统的重要组成部分。它的功能是传递扭矩和转速，可以将旋转运动转化为直线运动。伺服系统的机械传动机构包括齿轮齿条、同步齿形带、滚珠丝杠等。

滚珠丝杠作为伺服系统常见的机械传动机构之一，是为满足客户需求而开发的一种新型传动机构。伺服系统的要求，用于精度要求较高的场合。这种传动机构采用滚珠丝杠传动，具有传动效率高、传动精度高、磨损小、使用寿命长等特点，广泛应用于数控机床、三坐标测量机、高精度进料平台等精密设备。.

伺服系统作为数控机床等精密加工设备中广泛使用的核心部件，其性能的好坏直接影响到加工设备的精度和效率。其中，伺服控制系统的定位精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度，因此定位精度是一个极其重要的指标。伺服系统的定位精度与控制方式有关，包括开环控制、闭环控制和半闭环控制等。下面先介绍三种控制方式下伺服系统的定位精度，然后以常用的半闭环伺服系统为例，分析滚珠丝杠的热误差对伺服系统的影响。

当伺服系统处于开环、闭环和半闭环控制模式时，称为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。回路伺服系统，分别。开环伺服系统中没有反馈信号，常采用步进电机作为执行器。由于步进电机的步进误差和机械系统的误差会直接影响其定位精度，因此开环伺服系统的定位精度较低；闭环伺服系统定位精度低。由于伺服系统有输出反馈，系统可以达到更高的定位精度；半闭环伺服系统也有反馈，但反馈不取白色输出，通常取自系统中间过程中的等效信号，等效信号可以通过转换间接表示输出，因为半闭环伺服系统的定位精度介于开环伺服系统和闭环伺服系统之间。

开环伺服系统由于定位精度低，很少用于数控机床等精密加工设备。在闭环伺服系统中，直接测量工作台的位置信号，需要安装和维护光栅、磁尺或直线感应同步器等位置检测装置。相比之下，如果使用半闭环伺服系统，只需要旋转编码器、光电编码器、盘式感应同步器等检测元件即可测量电机旋转角度，间接获得位置的等效反馈信号输出。半闭环伺服系统具有安装方便、维护简单、成本低等优点，广泛应用于数控机床等精密加工设备的控制系统。

在典型的半闭环伺服系统中，工作台的定位误差由两部分组成。一是系统对电机角度的控制误差，与角度测量装置、控制算法特性、摩擦力等干扰因素有关。需要安装高精度的测量装置，改进控制算法，排除干扰以减少误差；另一部分是电机对工作台之间的机械系统误差，包括滚珠丝杠热误差、螺距误差、齿隙等。

在影响半闭环伺服系统定位精度的众多因素中，更换高精度测角装置，改进控制算法，显着降低系统控制误差；丝杠螺距误差和侧隙可根据国家标准GB/T17421.2-2000（机床检验通则第2部分数控轴定位精度和重复定位精度的测定与分析）和国家标准确定GBIT17421.3-2009（机床检验通则第3部分机床热效应的测定）补偿；然而，滚珠丝杠的热误差是一个与温度相关的量，在伺服系统运行时难以测量和补偿。

对于半闭环伺服系统，反馈系统不包括从转轴到工作台的传动链，滚珠丝杠在反馈回路之外。这时，滚珠丝杠的热变形误差对系统的影响就特别严重。会直接影响伺服系统的定位精度，带来不可忽略的定位误差；对于闭环伺服系统，滚珠丝杠驱动器位于伺服系统的反馈回路中，滚珠丝杠的热误差可视为系统扰动，会影响系统的动态性能；对于开环伺服系统，与半闭环伺服系统类似，滚珠丝杠的热误差会直接影响其定位精度。

因此，研究滚珠丝杠的热变形规律及其热误差补偿技术是一种比较经济实用的有效方法。该方法可以提高伺服系统的传动和定位精度，使数控机床在高速高效运行下仍能保证较高的加工精度。滚珠丝杠热误差补偿技术研究已成为机床热误差研究的重要研究方向，受到国内外学者的广泛关注。相关研究成果取得了一些进展，但热误差环节无论从经验上还是理论上都存在一定的不足。

为此，基于相关理论，对滚珠丝杠的热误差进行了研究，并利用单轴半封闭伺服平台进行了大量实验，建立了可以快速准确预测的温度滚珠丝杠的温度分布。场模型用于预测滚珠丝杠的热误差。目的是探索一种简单、实用、准确的滚珠丝杠热误差预测方法。

滚珠丝杠的温度场模型可以反映丝杠的温度分布和变化规律。基于该温度场景的滚珠丝杠热误差预测方法在一定程度上丰富了伺服系统的热误差建模与补偿技术。对提高半闭环伺服系统的定位精度有一定的好处。但是，伺服系统滚珠丝杠在实验环境中的运行条件与实际运行条件仍有差异，存在一些问题需要进一步研究和解决。例如，在实际应用中，滚珠丝杠的运行状态变化频繁，可能有多种不同的丝杠安装方式，电机等其他热源也会对滚珠丝杠产生一定的影响。