步距规在螺距误差补偿和应用中的优化

◇任务简介◇

本任务主要介绍步距规的结构和功能以及使用步距规检测数控机床螺距误差的方法。

◇学习目标◇

1.步距规的结构及功能介绍。

2.使用步距规检测螺距误差的方式以及数据分析处理。

◇知识要点◇

一、步距规

步距规（图3-2-1）是一种高精度量具，它不仅可以检验数控机床的定位精度，还可以重复定位精度进行检测。检测的可以使用激光干涉仪、线纹尺、步距规等。其中，使用步距规测量定位精度因其操作仪器简单而在批量生产中被广泛采用。图3-2-2所示为步距规的结构简图。

图3-2-1　步距规

步距规的结构形式分为以下几种。

（1）外凸型步距规：测量块凸出基体之外。其优点是检验数控机床比较方便（杠杆千分表测头可多个方向进出测量区）；缺点是工作尺寸稳定性较差，使用中难免受意外磕碰，以致工作尺寸发生变化而不易发现。

图3-2-2　步距规结构简图

1—端面；2—端座；3—量块；4—基体；5—端盖；6—底面；7—零点工作面；8—标尺

（2）带护栏步距规：属于改进的外凸型结构。测量块两侧各有一列凸出的防护块形成护栏，能有效防止意外碰撞的影响，消除上述隐患。

（3）内凹型步距规：测量块装置在步距规内凹处。优点是工作尺寸稳定性好，多用于检测三坐标测量机；缺点是用于检测数控机床不够方便，因其各工作尺寸不统一，分散较大，进行误差计算和修正时容易出错。

（4）单体步距规：测量块与基体为一体，侧面有凸出测量块，可视为多值量块。优点是便于携带、等温时间短、有附加磁片便于使用且价格低；缺点是尺寸稳定性差。

（5）单体高稳定型：可视为测量面位于基体中心线上的单体步距规，除具有上述单体步距规的多数优点外，尺寸稳定性好也是其突出优点。该步距规广泛用于检验和校准数控机床、坐标测量机、影像仪、精密测高仪和其他精密测量仪器。单体高稳定型步距规过去完全依赖进口，现在桂林安一量具有限公司（简称安一公司）已批量生产。

（6）卡尺专用步距规：属外凸型结构，不同处在于无固定节距。用于检验卡尺类量具，符合现行通用卡尺检定规程JJG 30—2012。新规程对卡尺的内测量和外测量示值误差的要求相当严格，用此步距规（附有细分量块）检验卡尺，不会发生漏检现象。

二、使用步距规检测螺距误差原理

数控机床的直线轴精度表现在轴进给上，主要有三项精度，即反向间隙、定位精度和重复定位精度。其中反向间隙、重复定位精度可以通过机械装置的调整来实现，而定位精度在很大程度上取决于直线轴传动链中滚珠丝杠的螺距制造精度。

为了解决滚珠丝杆在制造上的螺距误差，提高定位精度，数控系统有针对性也开发出了螺距误差补偿功能，用数控系统的螺距误差螺距补偿功能是最节约成本且直接有效的方法。通过对螺距误差补偿的熟练掌握，可以处理许多数控机床的加工难题。

螺距误差补偿原理是将机械参考点返回后的位置作为螺距补偿原点，CNC系统以设定在螺距误差补偿参数中的螺距补偿量和CNC移动指令为基准，综合控制伺服轴的移动量，补偿丝杠的螺距误差。螺距误差补偿功能提供了一种补偿方案，要求我们将所检测出的螺距误差值，按照一定的方法，输入到数控系统中相对应的参数中即可。

使用步距规定点的脉冲补偿方法可修正螺距误差，提高定位精度。其原理是在各坐标轴上设定一些坐标点，当机床运动经过这些点时，系统根据当前位置和指令位置在螺距补偿误差表中计算出实际的补偿值，对指令位置进行补偿，产生实际输出值控制伺服电机。数控系统以机床零点为基准，在不同的指令位置，按补偿表中的误差值进行补偿。数控系统在每段数据插补过程中均进行误差补偿，以获得最高精度。

实现过程和步骤如下：

（1）在数控机床上正确安装杠杆千分表；

（2）在整个步距规行程上，每隔一定距离取一个位置点作为测量点；

（3）记录运动到测量点的实际精确位置；

（4）将各点处的误差值读数记录下来，形成在不同的指令位置处的误差表；

（5）多次测量，在机床定位精度、重复定位精度和反向间隙计算表中进行数据处理；

（6）将所测数据的处理结果输入到系统螺距误差补偿表中进行补偿。

步距规对螺距误差补偿的方法如下。

使用设备：步距规、杠杆百分表、杠杆千分表、磁性表座。

1.定位精度和重复定位精度的确定

《机床检验通则第2部分数控轴线定位精度和重复定位精度的确定》（GB/T 1721.2—2016）国家标准评定方法。

（1）目标位置Pi：运动部件编程要达到的位置。下标i表示沿轴线选择的目标位置中的特定位置。

（2）实际位置Pij（i=0～m，j=1～n）：运动部件第j次向第i个目标位置趋近时的实际测得的到达位置。

（3）位置偏差Xij：运动部件到达的实际位置减去目标位置之差，Xij=Pij-Pi。

（4）单向趋近：运动部件以相同的方向沿轴线（指直线运动）或绕轴线（指旋转运动）趋近某目标位置的一系列测量。符号↑表示从正向趋近所得参数，符号↓表示从负向趋近所得参数，如Xij↑或Xij↓。

（5）双向趋近：运动部件从两个方向沿轴线或绕轴线趋近某目标位置的一系列测量。

（6）某一位置的单向平均位置偏差↑或↓：运动部件由n次单向趋近某一位置Pi所得的位置偏差的算术平均值。

（7）某一位置的双向平均位置偏差Xi：运动部件从两个方向趋近某一位置Pi所得的单向平均位置偏差Xi↑和Xi↓的算术平均值。

（8）某一位置的反向差值Bi：运动部件从二个方向趋近某位置时两单向平均位置偏差之差。

（9）轴线反向差值B和轴线平均反向差值：运动部件沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的绝对值│Bi│中的最大值即为轴线反向差值B；沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的Bi的算术平均值即为轴线平均反向差值B

（10）在某一位置的单向定位标准不确定度的估算值Si↑或Si↓。通过对某一位置Pi的n次单向趋近所获得的位置偏差标准不确定度的估算值。即

（11）在某一位置的单向重复定位精度Ri↑或Ri↓及双向重复定位精度Ri：

（12）轴线双向重复定位精度R：

（13）轴线双向定位精度A：由双向定位系统偏差和双向定位标准不确定度估算值的2倍的组合来确定的范围。即

定位精度和重复定位精度的确定如下：

定位精度A：在测量行程范围内（运动轴）测2点，一次往返目标点检测（双向）。测试后，计算出每一点的目标值与实测值之差，取最大位置偏差与最小位置偏差之差除以2，加正负号（±）作为该轴的定位精度。即：

重复定位精度R：在测量行程范围内任取左、中、右3点，在每一点重复测试2次，取每点最大值最小值之差除以2就是重复定位精度。即

2.定位精度测量工具和方法

检测定位精度和重复定位精度的测量仪器可以使用步距规。检测时，在其全行程上的测量点数不应少于5点，测量间距按下式确定：

式中，P为测量间距；k为在各目标位置取不同的值，以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔，以保证周期误差被充分采样。(www.xing528.com)

步距规结构如图3-2-3所示：尺寸P1、P2…Pi按100 mm间距设计，加工后测量出P1、P2…Pi的实际尺寸作为定位精度检测时的目标位置坐标（测量基准）。以加工中心X轴定位精度测量为例，测量时，将步距规置于工作台上，并将步距规轴线与X轴轴线校平行，令X轴回零；将杠杆千分表固定在主轴箱上（不移动），表头接触在P0点，表针置零；用程序（见附件一）控制工作台按标准循环图（图3-2-4）移动，移动距离依次为P1、P2…Pi，表头则依次接触到P1、P2…Pi点，表盘在各点的读数则为该位置的单向位置偏差。按标准循环图测量5次，将各点读数（单向位置偏差）记录在记录表中，按图3-2-5对数据进行处理，可确定该坐标的定位精度和重复定位精度。

图3-2-3　步距规结构图

图3-2-4　标准检验循环图

图3-2-5　标准检验循环图

三、补偿实例

现以加工中心的X轴为例，该机床配置华中数控世纪星系统。测量方法为步距规测量。

1.测试步骤

在首次测量前，开机进入系统（华中数控HNC-2000或HNC-21M），依次按下“F3参数”键、“F3输入权限”键，进入下一子菜单，点击“F1数控厂家参数”，输入数控厂家权限口令，初始口令为“NC”或者“CNC”，按“回车”键，再按“F1参数索引”键，再按“F4轴补偿参数”键，如图3-2-6所示。

图3-2-6　参数索引界面

图3-2-7　系统轴补偿参数界面及单向补偿后的数据设置

移动光标选择“0轴”，按回车键，即进入系统X轴补偿参数界面，如图3-2-7所示。将系统的反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零，按“Esc”键，界面出现对话框“是否保存修改参数？”，按“Y”键后保存修改后的参数。按“F10”键回到主界面，再按“Alt+X”键，退出系统，进入DOS状态，按“N”键，回车进入系统；编制步距规的测量程序，实现图3-2-4所示测量循环，程序名为“OBJG”，程序详见附件1。将步距规实际尺寸P1、P2、…、Pi填入测量程序的变量中。

将步距规置于工作台的中间位置，注意步距规的方向，P0点朝向X轴负向，用压板轻轻固定，并用百分表将步距规轴线与X轴导向导轨校平行，平行度允差0.02 mm；

使工作台沿X轴向回零，Y轴置于行程中间位置；将杠杆千分表固定在主轴箱上（不移动），表头接触在P0点，表针置零。步距规安装示意图如图3-2-8所示。

图3-2-8　步距规安装示意图

将波段开关置于“单段”，进给修调置于“100%”，选择检测程序“OJX”，重复按“循环启动”，当程序执行到“N05”行时。将表针再次置零，再将波段开关置于“自动”后，按“循环启动”开始测量。在测量完成前不应调整杠杆千分表表针。

在测量程序运行中，当工作台运动到目标位置时，表头接触到步距规测量面，测量程序设置有暂停3 s（G04X3），此时记下表针读数，记录在“测试记录表”中。例如，在第一次测量，工作台负向运动到P1点时表针读数为“6”时，读数“6”记录在“P1，↑，X1”位置。如表3-2-1所示。

测量5次循环，并将读数记录到“测试记录表”中。停止运行，将表头移开测量面。

2.数据处理

按《机床检验通则第2部分数控轴线定位精度和重复定位精度的确定》（GB/T 17421.2—2016），对数据进行处理，计算出“平均位置偏差X ”“反向差值Bi”和“平均反向值Bi”

3.误差补偿

按测试步骤，进入系统X轴补偿参数表，如表3-2-1所示进行处理。

（1）反向间隙补偿。

将记录表中计算所得的轴线平均反向差值Bi写入系统X轴补偿参数表的“反向间隙（内部脉冲当量）”后的数据栏；

（2）单向螺距补偿。

将“螺距补偿类型”设为“1”，“补偿点数”设为“6”，“补偿间隔”设为“100000”，“参考点偏差号”为“5”

将“记录表”中“平均位置偏差Xi↑”的值填入表3-2-1。

表3-2-1 X轴补偿参数表

将↑值“1”填入“偏差值（内部脉冲当量）［5］”；

将↑值“3”填入“偏差值（内部脉冲当量）［4］”；

将↑值“5”填入“偏差值（内部脉冲当量）［3］”；

将↑值“7”填入“偏差值（内部脉冲当量）［2］”；

将↑值“9”填入“偏差值（内部脉冲当量）［1］”；

将↑值“11”填入“偏差值（内部脉冲当量）［0］”。

补偿后的参数如图3.7所示。单向补偿后，按上述测试步骤再次进行定位精度的测量，并进行数据处理。计算出X轴线单向补偿后的定位精度和重复定位精度。

（3）双向螺距补偿。

按“测试步骤”所述步骤进行数据测量和处理，按下述步骤输入补偿参数：将“反向间隙”值设为“0”，“螺距补偿类型”设为“2”，“补偿点数”设为“6”，“补偿间隔”设为“100000”，“参考点偏差号”为“5”。

将“记录表”中“平均位置偏差Xi↑”的值填入“X轴补偿参数表”的“偏差值［］内：

即将Xi↑值“1”填入“偏差值（内部脉冲当量）［11］”

将↑值“3”填入“偏差值（内部脉冲当量）［10］”

将↑值“5”填入“偏差值（内部脉冲当量）［9］”

将↑值“7”填入“偏差值（内部脉冲当量）［8］”

将↑值“9”填入“偏差值（内部脉冲当量）［7］”

将↑值“11”填入“偏差值（内部脉冲当量）［6］”

将↓值“2”填入“偏差值（内部脉冲当量）［5］”

将↓值“4”填入“偏差值（内部脉冲当量）［4］”

将↓值“6”填入“偏差值（内部脉冲当量）［3］”

将↓值“8”填入“偏差值（内部脉冲当量）［2］”

将↓值“10”填入“偏差值（内部脉冲当量）［1］”

将↓值“12”填入“偏差值（内部脉冲当量）［0］”

双向补偿后的参数如图3-2-9所示。

图3-2-9　双向螺距误差补偿

补偿参数输入完成后，按“Esc”键，界面会出现“是否保存修改参数？”对话框，按“Y”键后保存修改后的参数。按“F10”键回到主界面，再按“Alt+X”键，退出系统，进入DOS状态，按“N”回车进入系统，偿后的参数数值即开始生效。双向补偿后，按测试步骤，再次进行定位精度的测量并进行数据处理。计算出X轴线双向补偿后的定位精度和重复定位精度。

附件一

数控车床Z轴使用步距规测量程序下如。