浅谈数控机床螺距误差补偿对零件表面的影响

杨广厚

摘要：数控机床可以生产出极为精密的工业零件，但数控机床也存在其自身的缺陷，其中最为明显的就是在制造时自身也会产生误差，特别是在精细零件的生产中，误差就会影响零件加工的精度和效果。本文对数控机床的其中一种误差，螺距误差进行分析，探讨数控机床螺距误差补偿技术对零件表面质量的影响。

关键词：数控系统;螺距误差补偿;表面质量

1  螺距误差补偿的出现

数控机床作为工业制造的母机，它的精度指标是影响工件加工精度的重要因素。因此，提高数控机床精度的研究受到了极大的关注。在各种精密加工机床中，由于机床自身的零件和装配误差而导致加工精度下降的问题日益突出。大部分的机床数控都采用滚珠丝杆作为机械传动部件，由于丝杆制造和装配误差都存在，机床定位过程中实际与理论存在偏差，为了在数控机床控制中弥补这种误差，即上位机数控系统要有螺距误差补偿功能，螺距误差补偿就这样出现了。

2  螺距误差补偿的原理

目前螺距误差补偿中，一般有两种补偿方式，即单向螺距补偿和双向螺距补偿，广泛应用的为单向螺距补偿。目前的方法一般用激光干涉仪采集数控机床每运行一个间隔，实际运行和理论偏差了多少，然后把补偿值输入到数控系统。基本原理就是将数控机床某轴上的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较，计算出每个间隔的误差，再将误差输入数控系统中。这样数控系统在控制该轴的运动时，会自动考虑到误差值，并加以补偿。

3  目前国外主流的数控系统对螺距误差的处理

3.1 FANUC 0i-F[1]系统在插补型螺距误差补偿中，各误差补偿点的间隔中，将各点的补偿量按照每1脉冲等间距分割后予以输出。从这种补偿方式分析，即运行时在间距中间位置可能造成速度波动。用激光干涉仪采集单轴运行，速度F1000，每间距10mm补偿0.005或0.006mm运行时速度波动数据。如图1。

FANUC 0i-F这种螺距误差补偿方式，保证了轴运行的定位精度，但可能出现表面质量问题。用数控车床加工材料为6063铝，锥度60度的外圆，图2为实际加工表面效果，表面都用2000的细沙纸擦拭过后。明显看出当数控系统有螺距误差补偿时，表面出现跳线。

采集机床电机编码器数据，机床X轴和Z轴电机编码器反馈插补拟合轨迹与理论轨迹误差分析如图3所示，当无螺距误差补偿时，实际拟合轨迹与理论轨迹一直保持一个平均的误差范围。当有螺距误差补偿时，表面效果会受误差补偿影响。

3.2 三菱700/70[2]数控系统根据设定的参数，对滚珠丝杠的螺距误差等导致的轴进给误差加以补偿。如图6所示以参考点为基准，对将机床坐标等分的各分割点设定补偿量。分割点n与分割点n+1之间，根据近似直线确定两分割点间的补偿量，进行平滑补偿。用激光干涉仪采集单轴运行，速度F1000，每间距10mm补偿0.5或1mm运行时速度波动数据。如图4。

采集机床电机编码器数据，机床X轴和Z轴电机编码器反馈插补拟合轨迹与理论轨迹误差分析如图5所示，当无螺距误差补偿时，实际拟合轨迹与理论轨迹一直保持一个平均的误差范围。当有螺距误差补偿时，表面效果会受误差补偿影响。用数控车床实际加工材料铝的锥度零件，零件表面肉眼观察存在色差。

4  目前的螺距误差补偿与新的螺距误差补偿

目前主要的数控系统的螺距误差补偿可以归纳为两种：一种为脉冲叠加，即在轴运行过程中如图6所示，在分割点n与分割点n+1中间位置进行补偿，一个脉冲或几个脉冲的时间宽度在原来的速度进行叠加补偿;一种为螺距（间距）平均，即在轴运行过程中如图6所示，在分割点n与分割点n+1之间进行补偿，把补偿量平均分配。根据（距离）L=V（速度）*T（时间），当每个间距补偿量不同时，每个间距的速度也不同，每个间距间会存在阶梯型速度波動。所以上述两种都能保证位置的定位精度是准的，但会影响表面质量。现在提出一种新的螺距误差补偿，绝对位置平均，如加工为一条直线加工程序起点可能在如图6所示，在分割点n之前，终点在分割点n+2之后，理想的补偿是把误差平均到程序全行程内，不能与间隔有关系，同时保证到达位置的准确。

参考文献：

[1]FANUC Series 0i-MODEL F 参数说明书 （2015年7月第1版）.

[2]三菱CNC 700/70系列 参数设定（2006年9月A0版）.

[3]陈刚，羌铃铃.数控系统中螺距补偿的原理与设计[J].机械制造与自动化，2015（1）：25-28.