絲杠精度測量誤差分析

齊重數控裝備股份有限公司 (黑龍江 161005)董新國

絲杠屬于細長類制件，長度和直徑之比一般在15～40 左右。影響機床用絲杠精度測量誤差的主要原因有以下幾個方面。

1.溫度誤差

例如鋼制零件長度L=1 000mm，取碳鋼的線膨脹系數αl=11.5×10-6m/℃時，溫度相差1℃，其全長上的尺寸變化達ΔL=αlL (t-t1)=11.5×10-6×106×1=11.5μm，這樣就超過5 級絲杠所規定的全長的累積誤差。因此，測量精密絲杠時要嚴格控制溫度。

目前，計量室的溫度一般只能控制在 (20 ±0.5)℃，但在測量時，應考慮儀器、被測絲杠和室溫三者的溫度差不大于0.2℃，以及測量過程中溫度的波動。因此，每小時室溫的允許變化不應超過0.2℃。即使被測絲杠與儀器、室溫在平衡情況下，還存在著儀器的光源和人體體溫的熱量輻射傳導給儀器和被測絲杠，使溫度繼續上升的情況。所以應采用先進測量儀器，以便縮短測量時間和使操作人員遠離儀器，同時可多采用動態測量方法以減小溫度的影響。

2.定位誤差

絲杠測量的定位方法一般是頂在頂針間或放在V形支架上。這時定位誤差有兩方面:一是兩定位元件調整不精確造成的誤差;另一方面是定位基準違反基準統一原則造成的誤差。

(1)定位元件(兩頂針或兩V 形支架)調整不精確，使支撐的絲杠軸線在水平面和在垂直面上與測量方向不平行。

圖1 所示為測量方向與絲杠軸線在垂直面上傾角為γ，使測量頭沿絲杠螺旋面向上或向下移動一個Δ 值，即在測量線方向上產生測量誤差δ:

式中，φ 是絲杠螺紋升角。

圖2 所示為測量方向與絲杠軸線在水平面上傾角為γ，使測量頭向外或向內移動一個Δ 值，即產生測量誤差δ:

式中，α 是絲杠牙型角。

圖1

圖2

(2)至于違反基準統一原則引起的誤差，主要是采用V 形支架的結果。因為絲杠的設計基準與工藝基準是軸線，用頂尖孔定位加工，所以用頂尖支撐定位測量時符合基準統一原則。但當測量長絲杠時，為了避免自重彎曲變形，改用V 形支架以絲杠外圓定位時，測量基準與設計基準及工藝基準不符，這時絲杠外圓的圓柱度誤差將造成測量誤差。

由此可見，單從基準統一原則出發考慮，采用頂尖支撐較為合理。但是，用頂尖支撐也有不足之處，如絲杠測量過程的軸向竄動，頂尖壓力對絲杠變形的影響，以及長絲杠的自重彎曲問題，故需全面考慮。

3.絲杠撓度誤差

因絲杠又細又長，容易引起彎曲變形。主要原因是:自重作用下引起垂直面內彎曲變形;用頂尖壓緊時，絲杠受軸向壓力引起水平面或垂直面內彎曲變形;以及絲杠一端加上夾頭等物體時，在附加重量作用下引起彎曲變形等。這些力造成的絲杠彎曲變形量是很復雜的，將造成測量誤差，是不能忽視的。

圖3 所示為在測量一根2 400mm 長的Tr24×5 絲杠時，在不同負荷和不同支點的情況下記錄的絲杠變形情況。曲線Ⅰ是在絲杠左端沒有加重物時的變形情況。曲線Ⅱ說明在絲杠一端加上40N 的力，而絲杠的3 個支點仍等距分布時，最大撓曲處彎曲量多達80μm。當移動支點位置，并使左端支點降低時，可使最大撓度減小到15μm，如曲線Ⅲ、Ⅳ所示，這時由它造成的測量誤差僅1μm。

檢測時，為防止絲杠軸向竄動，通常在絲杠軸線一端施加一定壓力。例如上述絲杠受4N 力作用于軸向，將引起絲杠的橫向彎曲最大值達10μm，造成螺距測量誤差達到2.5μm。可見，軸向壓力引起的絲杠彎曲也不可忽視。

通過以上事實說明，絲杠彎曲變形誤差是不可忽視的，但由于在計算上無法消除，因此必須采取措施盡量減小。第一是測量前要用千分表校正絲杠直線度，調整支撐點距離和高低以及增加輔助支撐點，使絲杠軸線撓曲盡可能減小。第二是在絲杠軸向截面兩對面的牙型兩側分別測量螺距，取它們的算術平均值為測量結果，以消除軸線彎曲后與測量線不平行造成的誤差。一般在測量時，測頭是在絲杠的中徑處，這樣可消除半角誤差對測量的影響。

4.其他誤差

一般測量方法共有的測量誤差因素如測量裝置讀數精度、標準件精度及螺紋各參數對螺距測量的影響等。