数控机床螺距误差的原因与分析

◇任务简介◇

本任务主要是从介绍数控机床的传动方式入手，了解滚珠丝杆的结构在数控机床上的传动方式以及此传动方式下，对数控机床产生的螺距误差的原因分析。

◇学习目标◇

1．滚珠丝杆的结构及传动方式。

2．产生数控机床螺距误差的原因分析。

◇知识要点◇

一、数控机床的传动方式

滚珠丝杠作为数控机床进给传动链中的重要组成部分，在整个传动链中起着将旋转运动转化为直线运动的重要作用。作为数控机床的进给驱动部件，一般情况是伺服电机通过联轴器将动力直接传递给滚珠丝杠，丝杠旋转带动丝杠螺母横向移动；也有的进给机构是将动力传递给丝杠螺母，丝杠螺母旋转推动丝杠做前后移动，完成将旋转运动转化为直线运动这一过程。滚珠丝杠对性能的要求很严格，如需要传动可靠性高、摩擦损失小、传动效率高等。在机床运行过程中，必须保证丝杠做工精细，才能使其光滑、反应灵敏，从而实现机床的高精度（精度为η=0.92～0.96）。同时在对丝杠施加预紧力后，只有确保消除轴向的间隙，才能减小方向传动误差和提高定位精度。

滚珠丝杠副是进给系统的最后一个传动副。由于丝杠和螺母存在各种误差，如螺距累积误差、螺纹滚道型面误差、直径尺寸误差等（其中最主要的是丝杠的螺距累积误差）；滚珠丝杠在装配过程中，由于采用了双支撑结构，使丝杠轴向拉长，造成丝杠螺距误差增加，产生机床目标值偏差；机床装配过程中，由于丝杠轴线与机床导轨平行度的误差从而引起机床目标值偏差。螺距误差补偿是将机床实际移动的距离与指令移动的距离之差；通过调整数控系统的参数来增减指令值的脉冲数，实现机床实际移动距离与指令值相接近，以提高机床的定位精度。螺距误差补偿只对机床补偿段起作用，在数控系统允许的范围内将起到补偿作用。利用数控系统提供的螺距误差补偿功能，可以对螺距误差进行补偿和修正，达到提高加工精度的目的。另外，数控机床经过长时间使用后，由于磨损等原因，造成精度下降，通过对机床进行定期检定和误差补偿，可在保持精度的前提下延长机床的使用寿命。

通过表3-1-1对滚珠丝杆结构的观察和对比可以发现：

表3-1-1

在进给传动链中，齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等均存在反转间隙。这种反转间隙会造成工作台反向时，电动机空转而工作台不动，使半闭环系统产生误差和全闭环系统位置环振荡不稳定。为解决这一问题，可先采取调整和预紧的方法，减少间隙。对于剩余间隙，在半闭环系统中可将其值测出，作为参数输入数控系统，此后每当坐标轴接收到反向指令时，数控系统便调用间隙补偿程序，自动将间隙补偿值加到由插补程序算出的位置增量命令中，以补偿间隙引起的失动。这样控制电动机多走一段距离，这段距离等于间隙值，从而补偿了间隙误差。螺距误差是指由螺距累积误差。引起的常值系统性定位误差在半闭环系统中，定位精度很大程度上受滚珠丝杠精度的影响。尽管滚珠丝杠的精度很高，但总存在着制造误差；要得到超过滚珠丝杠精度的运动精度，必须采用螺距误差补偿功能，利用数控系统对误差进行补偿与修正。采用该功能的另一个原因是，数控机床经长时间使用后，由于磨损，其精度可能会下降。采用该功能进行定期测量与补偿，可在保持精度的前提下，延长机床的使用寿命。

二、数控机床螺距误差产生的原因

螺距误差的产生，主要由于机床误差、传动系统调整不准确及切削过程中的变形等因素引起的。

1.机床误差

（1）机床滚珠丝杆的螺距误差影响最大。滚珠丝杆的螺距误差也将直接反映到被加工的工件上，通常采用校准装置来消除机床丝杆的螺距误差。另外，温度及其他因素也会对工件螺距误差产生累积误差。

（2）机床丝杆出现轴向窜动和径向跳动时，相当于机床在做自身轴向移动时，同样在做直径方向上的径向跳动，机床工作台的这种周期性变化将会直接作用在做加工工件上，在工件表面形成高低起伏不定的表面形式，再进行螺纹加工时，也会相应地出现螺纹的螺距误差。因此对高精度机床，丝杆轴向窜动一般要求在0.002 mm以内。

（3）床身导轨在水平面内偏斜引起螺距的误差。床身导轨与工件旋转中心线不平行，会使切削出的螺纹有锥度，除产生中经误差外，螺距也产生相应的累积误差。螺距误差沿被加工螺纹的长度逐渐增大（当锥度方向相反时，螺距误差为递减）。床身导轨在水平面内偏斜产生的误差，可以通过移动后顶尖来校准。(www.xing528.com)

（4）床身导轨在垂直平面内倾斜引起螺距的误差。车刀前刀面应在与工件中心等高的位置上，这样才能车削出正确的牙型。由于车床床身导轨在垂直面内倾斜，加工过程中会改变车刀纵向走刀方向，使前刀面高于或低于工件中心距离，而高于或低于工件中心的距离会沿着工件全长各点会逐渐增大，从而除引起牙型误差外，还会产生累积性的螺距误差。所以床身导轨在垂直平面内倾斜要加以严格控制。

（5）机床前后顶尖存在同轴度误差。机床前后顶尖在水平面内的同轴度误差与机床导轨在水平面内的偏斜使工件所产生的误差相同。而机床两顶尖在垂直平面内不同心所产生的误差与机床导轨在垂直平面内倾斜产生的误差相同。此外，由于工件轴心与机床主轴轴心线不重合时，在机床主轴运动时，会造成主轴的旋转与工件的旋转存在同轴度的偏差，这样就会引起螺距周期性误差。误差的大小不但与顶尖偏差有关，还与所用卡盘和卡头的结构有关。

（6）主轴径向圆跳动和轴向窜动。主轴的径向圆跳动，会周期性地改变工件与刀具之间的径向相互位置，从而引起周期性的螺距误差。工件螺距的最大误差在靠近主轴端，而尾顶尖处误差最小。主轴轴向窜动量是引起工件螺距误差的最直接原因，其值等于主轴轴向窜动量。精密螺纹车床像磨床那样，使用不旋转的顶尖，已消除这些误差。精密螺纹车床主轴的轴向窜动量应控制在0.002 mm以内，主轴的径向跳动量应控制在靠主轴端部为0.003 mm以内，用芯棒插入主轴锥孔，在离主轴端部300 mm处的芯棒上测量为0.007 mm。

2.机床传动系统的调整误差

机床主轴与丝杆之间传动系统（传动链）中交换的速比有时只能采用近似值，这会引起累积性螺距误差。除此之外，从主轴到丝杆之间传动链中齿轮的制造误差或安装误差，都将引起工件的螺距精度，可采取以下措施：

（1）缩短传动链。主轴经交换齿轮直接带动丝杆，以减少传动链中齿轮传动引起的误差环节。

（2）保证交换齿轮传动速比有足够的正确性。

（3）提高传动链中各个传动件的制造精度和装配精度。

（4）采用精密同步随动系统。

3.切削过程中工件变形

（1）工件在切削力作用下的变形。在切削力作用下，工件因变形而产生螺距误差，误差的大小随工件长度及其刚度而定。在径向切削力的作用下，产生的螺距误差与机床导轨在水平面内的偏斜所产生的误差相同；在垂直切削分力的作用下产生的误差相同，两者的综合误差在中径测量时会体现出来。

（2）切削过程中工件的热变形。在切削过程中，由于机床丝杆和工件之间会产生温度差，引起热变形，从而使工件螺距产生误差。加工时工件的热源（切削变形、刀具后刀面与工件及刀具前刀面与切屑之间的摩擦、跟刀架的支承与工件外圆的摩擦等）所产生的热，使工件受热伸长，加工完成冷却后又收缩。机床丝杆同螺母之间，丝杆两端的轴承也会发生摩擦热，使机床丝杆的温度升高，但工件的温升比机床丝杆的温升要高得多，于是两者的实际的膨胀量就会有差异。加工时，机床丝杆热变形小，切出的工件螺距误差小；但加工完毕，工件冷却后要缩短，螺距变小，这样就产生了螺距误差，误差随工件长度增大而增大。线膨胀公式如下：

式中：ΔL——线膨胀的伸长量，mm；

α线膨胀系数，钢的系数α=11.7×10（1/℃）；

L——工件长度，mm；

Δt——温度差，℃；

若工件长度1 m，温度差1℃，则引起的螺距累积误差将是11.7 μm，而6级精度丝杆在1 m长度上，螺距累积误差的允差是15 μm。

由此可见，控制机床丝杆和被加工丝杆之间的温度差，是保证精密丝杆加工精度的一个重要因素。为了降低热变形的影响，精密丝杆螺纹的加工工序应在恒温室中（温度控制在20℃±1℃）进行，加工时尽量减少机床、工件的各部分温度差。将工件在恒温室内放置几个小时，待与室温一致后方可进行加工；开始加工前，开动机床，空转一段时间，使机床主轴及丝杆等零件达到热平衡状态，以免在加工过程中机床零部件的温度逐步升高；选用较低的切削用量，并使用切削液。此外，如果精车为最后工序，则在精车后最后一次走刀前最好停留一段时间，让工件冷却，这也是减少热变形的关键。