数控机床精度误差分析与补偿方法.pdf

数控机床精度误差分析与补偿方法

【摘要】数控机床的精度作为机床最重要的技术指标，受到多方面因素的影

响。本文从多个方面分析了影响数控机床精度误差大小的各种原因，并针对各种

误差出现的具体情况提出了有针对性的补偿方法。对数控机床进行误差补偿后，

能够有效的改善数控机床的定位精度和加工精度，使机床满足制造企业对加工精

度的要求。

【关键词】数控机床；精度补偿；反向间隙补偿；螺距补偿；温度补偿

随着自动控制理论、计算机、微电子技术的不断发展，数控机床在上世纪

80年代迅速发展，并以其自动化程度高、生产效率高、加工精度高等优点在现

代制造加工业中得到广泛应用。随着制造企业对加工精度要求的不断提升，精度

指标成为衡量数控机床性能优劣的最重要指标。

数控机床精度的高低是以误差大小来进行衡量的。机床的精度变差、误差增

大一般情况下是由于在使用过程中机械部分的磨损、机床测量系统误差、或者是

温度的变化等造成的。出现这些情况后就会引起机床加工出工件的实际尺寸偏离

理想的几何尺寸，这就需要我们对机床进行调整并进行精度误差的补偿。

在数控系统中提供了多种提高机床精度的补偿功能，供工程师在对机床进行

调整时选用。通常情况经常被使用的补偿方式有：

一、反向间隙补偿

在数控机床的传动系统中，伺服电机与丝杠之间通常情况下会采用直连、同

步带传动、齿轮传动等三种方式进行连接传动。而齿轮、滚珠丝杠、螺母等均存

在反向间隙，这种反向间隙的存在就会造成在机床工作台发生反向运动时，伺服

电机空转而工作台没有发生实际的运动，或者伺服电机带动机械部分发生了运动

而测量装置没有检测到位移。对于数控机床来说反向间隙将会影响到机床的定位

精度和重复定位精度，从而影响到加工产品的精度。这就需要数控系统提供反向

间隙的软件补偿功能，以便对机床的反向间隙进行补偿，减小其对机床精度的影

响，提高加工零件的精度。往往随着数控机床使用时间的增长，反向间隙还会因

机械部分磨损而逐渐增大，因此需要定期对数控机床各坐标轴的反向间隙进行测

定和补偿。而反向间隙的补偿又可分为正方向补偿和负方向补偿两种：

1.正方向补偿（见图1）：

由于编码器超前机械部件（工作台），即由编码器读取到的实际位置超前工

作台移动的真实实际位置。为了补偿伺服电机空转而工作台没有发生实际的运动

所产生的误差，要在间隙补偿值中输入一个正向补偿值。

2.负方向补偿（见图2）：

由编码器测得的位置值滞后于机械部件（工作台），即由编码器读取的实际

位置小于工作台移动的真实实际位置。为了补偿伺服电机带动机械部分发生了运

动而测量装置没有检测到位移所产生的误差，要在间隙补偿值中输入一个负向补

偿值。

反向间隙的检测步骤比较简单，首先将所要检测的进给轴先向正方向移动一

定距离，以该轴所达到位置为基准点向正方向给出一个的移动指令，机床停止后，

再给出一个向负方向移动相同距离值的指令，测量该轴停止后的位置与基准位置

的差值。然后再在该位置进行同样检测，只不过此次检测轴要先向负方向移动一

定距离，以所到达的位置为基准点向负方向给出一个移动指令，机床停止后，再

给出一个向正方向移动相同距离值的指令，测量该轴停止后位置与本次基准位置

的差值，将本次测量得到的差值与上次的差值取平均值，即为该位置处的反向间

隙值。对于一个进给轴至少要在该轴的行程范围内取中间及靠近两端的三个位置

分别进行检测，并将各位置处测得的反向间隙值相加取平均值作为数控机床该轴

的反向间隙补偿值。

二、螺距补偿

数控机床上的线性进给轴多采用滚珠丝杠作为机械传动部件，电机带动滚珠

丝杠运动，将电机的旋转运动转换为进给轴的直线运动。如果滚珠丝杠各螺距之

间没有误差，则滚珠丝杠转动的角度与其所对应进给轴的直线位移成线性关系。

但是在实际中，无论是在制造过程中和装配中始终存在着误差，滚珠丝杠各螺距

间就存在着螺距误差。其反映在进给轴的直线位移上也存在着一定的误差，这样

就会降低机床的加工精度。多数数控系统都提供有螺距误差补偿的功能，可以对

数控机床出现的螺距误差进行补偿，以达到降低机床误差、提高加工精度的目的。

另外，数控机床经过长时间使用后，由于对滚珠丝杠各螺距磨损程度的不同，各

螺距之间的误差会进一步加大，导致机床的加工精度下降。通过对机床进行周期

性的检定和误差补偿，可在保持精度的前提下延长机床的使用寿命。

螺距补偿的基本原理是将数控机床进给轴的定位位置与激光干涉仪所测量

到的实际位置相比较，