數(shù)控機(jī)床誤差分析及位置精度提高方法

劉力學(xué)

[摘要]隨著以制造業(yè)數(shù)字化、智能化為主導(dǎo)的第三次工業(yè)革命即將到來，先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)涵主要包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新、制造技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新。數(shù)字化、智能化技術(shù)將深刻改變制造業(yè)的生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，將為我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展帶來前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機(jī)床；誤差分析；位置精度

1.數(shù)控機(jī)床誤差分析

1.1數(shù)控機(jī)床誤差來源

機(jī)床加工零件的過程就是刀具與毛坯或工作臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程，因此兩者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度直接影響零件的精度。加工精度的產(chǎn)生是多種因素共同影響的結(jié)果。

機(jī)床的誤差的影響因素涉及機(jī)床組成零部件的幾何誤差、工藝誤差和安裝誤差等。其中，機(jī)床的幾何誤差對(duì)機(jī)床精度的影響權(quán)重比例達(dá)25%。因此，研究機(jī)床的幾何誤差對(duì)提高機(jī)床的精度有重要意義。

1.2傳動(dòng)精度對(duì)機(jī)床精度的影響

位置精度是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)，包括數(shù)控機(jī)床加工精度、定位精度和重復(fù)定位精度。影響數(shù)控機(jī)床精度的因素很多，主要取決于機(jī)床的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和熱態(tài)特性。主要因素有以下幾個(gè)方面：⑴組成機(jī)床的零部件加工時(shí)產(chǎn)生的尺寸誤差和裝配過程中產(chǎn)生的裝配誤差，統(tǒng)稱為幾何誤差；⑵機(jī)床內(nèi)外的熱源引起的熱變形誤差；⑶機(jī)床的剛度、機(jī)床質(zhì)量及切削力不足引起的振動(dòng)誤差；⑷機(jī)床主軸和進(jìn)給伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的伺服跟隨誤差；⑸數(shù)據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算過程中產(chǎn)生的插補(bǔ)誤差；⑹其它誤差，如檢測(cè)誤差、外界環(huán)境變化引起的環(huán)境誤差。

機(jī)床中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、齒輪-齒條傳動(dòng)、滾珠絲杠螺母幅。這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的誤差也是機(jī)床傳動(dòng)誤差的主要影響因素。

1.3主要性能差距

就機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的差別并不大，采用的生產(chǎn)技術(shù)也相差無幾，而其最大的差別體現(xiàn)在伺服控制系統(tǒng)和核心傳動(dòng)功能部件的轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給速度、位置精度和可靠性方面，以及整個(gè)機(jī)床的制造裝配工藝水平與整體質(zhì)量，這是國(guó)外產(chǎn)品占有相當(dāng)份額的原因所在。

國(guó)內(nèi)外此類產(chǎn)品的主要性能差距有如下幾個(gè)方面：⑴主軸轉(zhuǎn)速；⑵快速進(jìn)給速度；⑶位置精度；⑷其他性能。

2.提高位置精度的主要方法

提高數(shù)控機(jī)床的位置精度通常采用誤差防止和誤差補(bǔ)償兩種方法。誤差防止法是通過機(jī)床合理設(shè)計(jì)、零部件加工、合理裝配、機(jī)床環(huán)境控制和正確使用來減少或消除可能存在的誤差源，此方法是保證數(shù)控機(jī)床位置精度的最基本、最有效的手段。誤差補(bǔ)償法是通過分析影響機(jī)床加工精度的不同類型誤差的來源，進(jìn)行機(jī)床誤差數(shù)學(xué)建模，通過對(duì)機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的誤差進(jìn)行修正，從而提高機(jī)床的加工精度。

2.1誤差防止法

數(shù)控機(jī)床的幾何尺寸誤差主要來自于機(jī)床零件的形狀和裝配誤差，因此在機(jī)床零件的加工和裝配過程中，改進(jìn)工藝方法和提高零件質(zhì)量，以達(dá)到減少幾何誤差的目的。此外，對(duì)于機(jī)床熱變形誤差和振動(dòng)誤差，通過校核數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度和熱傳導(dǎo)特性可達(dá)到減少誤差的目的。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床有插補(bǔ)誤差和伺服誤差，采用合理的插補(bǔ)計(jì)算和伺服控制方法，可以減少該項(xiàng)誤差。

⑴幾何誤差。機(jī)床組成零部件的幾何誤差直接影響機(jī)床的加工精度和加工工件的誤差，其中機(jī)床主軸、導(dǎo)軌和進(jìn)給系統(tǒng)零部件的幾何精度等級(jí)影響最大。因此，可以通過提高機(jī)床組成零部件的幾何精度來提高機(jī)床的加工精度，尤其要從主軸、導(dǎo)軌和進(jìn)給系統(tǒng)這三個(gè)主要組成部分著手做深入研究。隨著靜壓軸承、動(dòng)壓軸承、氣壓軸承等的研制和應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.01μm。另外，滑動(dòng)導(dǎo)軌、液體和氣體靜壓導(dǎo)軌、動(dòng)壓導(dǎo)軌的使用，機(jī)床的直線度誤差0.005μm/1000mm。

⑵熱變形誤差。熱變形誤差是機(jī)床的發(fā)熱部位產(chǎn)生熱量，熱量通過各種介質(zhì)向外傳遞，導(dǎo)致機(jī)床關(guān)鍵零件變形從而產(chǎn)生誤差。熱變形誤差是繼幾何誤差之后影響機(jī)床加工精度的第二大影響因素，熱變形誤差補(bǔ)償是提高機(jī)床精度的重要途徑之一，對(duì)熱變形誤差補(bǔ)償?shù)难芯客碛趯?duì)幾何尺寸誤差研究，目前減小熱變形誤差的方法主要有硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償兩種方法。根據(jù)熱變形誤差產(chǎn)生的過程可以看出，減少和防止熱誤差變形有以下三個(gè)途徑：減少熱源和控制熱流、優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改善熱傳導(dǎo)性能。在精密和超精密零件加工中，這些機(jī)床的幾何精度比較高，因此，降低熱變形誤差已經(jīng)成為提高加工精度的主要途徑。一方面采用空氣靜壓軸承、磁懸浮軸承，減少摩擦，進(jìn)而減少由此引起的熱量；另一方面，合理布置機(jī)床結(jié)構(gòu)，盡量采用對(duì)稱布置，加快溫度場(chǎng)熱平衡，將相變理論應(yīng)用到機(jī)床基礎(chǔ)件的方法來減小熱平衡也是近年來研究的新思路。

⑶伺服跟隨誤差。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，其性能直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。伺服系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度、加工精度和位移速度有直接影響，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求主要是精度、快速性和穩(wěn)定性三個(gè)方面。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是按照數(shù)控裝置的控制指令實(shí)現(xiàn)，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合來傳動(dòng)，因此，引起伺服系統(tǒng)的變化復(fù)雜，進(jìn)而影響到加工誤差。在數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中，各坐標(biāo)軸伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤數(shù)控指令的能力十分關(guān)鍵。目前對(duì)伺服系統(tǒng)跟隨誤差的研究主要集中在單軸伺服系統(tǒng)和多軸伺服系統(tǒng)性能的提高和改善兩個(gè)方面。由于伺服控制系統(tǒng)根據(jù)反饋方式不同，分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種控制方法。

⑷插補(bǔ)誤差。在數(shù)控加工過程中，對(duì)于復(fù)雜零件的加工，由于刀具運(yùn)行軌跡非常復(fù)雜，計(jì)算工作量大，很難準(zhǔn)確地滿足數(shù)控加工的實(shí)時(shí)性要求。因此在實(shí)際加工中，根據(jù)加工時(shí)進(jìn)給速度的要求，采用插補(bǔ)運(yùn)算的方法，完成在起點(diǎn)到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)密化工作，從而形成坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。針對(duì)插補(bǔ)運(yùn)算過程中存在的誤差問題，采用二維非參數(shù)曲線插補(bǔ)算法、弧長(zhǎng)接近參數(shù)值的五次樣條曲線、二次泰勒級(jí)數(shù)展開式基礎(chǔ)上的參數(shù)補(bǔ)償?shù)确椒ǎ瑏頊p小插補(bǔ)誤差，提高插補(bǔ)計(jì)算精度。

⑸其它誤差。①環(huán)境誤差；②檢測(cè)誤差。

2.2 誤差補(bǔ)償法

誤差補(bǔ)償法既要涉及機(jī)床各種誤差的正確測(cè)量，而且也存在機(jī)床誤差的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的問題。運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)量工具和技術(shù)測(cè)得機(jī)床幾何誤差比較容易，但機(jī)床熱誤差的精確測(cè)量相當(dāng)困難。

運(yùn)動(dòng)學(xué)建模是對(duì)于與機(jī)床運(yùn)動(dòng)相關(guān)的誤差成分來建立數(shù)學(xué)模型，所有的誤差均需要通過實(shí)測(cè)獲得，在補(bǔ)償過程時(shí)，誤差補(bǔ)償系統(tǒng)則根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和誤差模型以及實(shí)時(shí)反饋得到機(jī)床的最終誤差，再進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

誤差補(bǔ)償法主要分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。以前的機(jī)床誤差補(bǔ)償研究多集中在修改后臺(tái)程序方面，隨著現(xiàn)代微處理器技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和傳感測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床軟件誤差補(bǔ)償技術(shù)已逐漸發(fā)展成為提高機(jī)床位置精度的主要手段。

結(jié)論

現(xiàn)代制造業(yè)逐漸進(jìn)入高效率，高精度方向，數(shù)控機(jī)床和其他設(shè)備的性能要求也在不斷增加。誤差補(bǔ)償技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床主要手段的準(zhǔn)確性，這已經(jīng)是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]張變霞.數(shù)控機(jī)床精度及誤差補(bǔ)償技術(shù)[D].太原：中北大學(xué)，2008.

[2]周紅力.數(shù)控機(jī)床定位精度研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.