影響高速機床伺服進給系統定位精度的主要因素分析

杜成剛

【摘 ?要】隨著高速加工機床的迅速發展，伺服進給系統的定位精度已經成為影響數控機床加工質量的主要因素。從數控機床的結構出發，本文分析了影響系統定位精度的主要因素，為優化進給系統的參數及結構、提高伺服系統的跟隨性能，改善機械剛度、反向間隙等因素對加工精度的影響，提供了重要的理論依據。

【關鍵詞】定位精度;高速機床;伺服進給系統

隨著高速加工機床的迅速發展，伺服進給系統的定位精度已經成為影響數控機床加工質量的主要因素。隨著工作進給速度的提高，整個系統遇到的如間隙、機械剛度與摩擦等問題，對系統的定位精度影響尤為顯著。

1.反向間隙的影響

反向間隙是指在加工過程中，進給系統的傳動鏈中存在著機械間隙，當數控機床在其上換向時，由于反向間隙的存在會導致空轉而工作臺無移動，使機構處于停滯狀態或失控狀態。反向間隙包括靜態反向間隙和動態反向間隙。若反向間隙數值較大，則系統的明顯下降，加工精度明顯降低，會影響到定位精度和。因此對于高速高精度機床的進給機構，必須采取措施消除反向間隙。如采用預緊法，即在運動副的接觸面上施加預緊力，使得在運動過程中機構的運動副始終保持接觸狀態，達到消除靜態反向間隙的目的。

2.機械剛度的影響

在實際工作中伺服傳動系統的各種傳動件，比如軸、軸承、絲杠螺母等，在負載作用下都會產生變形，這些變形包括各構件本身的彈性變形、各構件的塑性變形以及各構件之間的接觸形變，這些變形是影響高速高精度加工定位精度的重要因素。

機械剛度反映了機械元件抵抗變形的能力，即指機床彈性體產生單位變形量時所需要的作用力?？捎孟铝泄奖硎緳C械剛度的定義

式中：——作用力（單位N）——變形量（單位m）

3.摩擦的影響

當物體與另一物體沿接觸面的切線方向運動或有相對運動的趨勢時，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對運動的作用力，這種力叫摩擦力。接觸面之間的這種現象或特性叫摩擦。根據移動方式的不同，摩擦可分為滑動摩擦和滾動摩擦。在滾珠絲杠傳動的進給機構中，通常工作臺和導軌之間是滑動摩擦。進給機構傳動鏈中的相對運動均是由滾珠在滾道中的滾動來傳遞的絲杠副以及絲杠兩端的支撐軸承的轉動。

摩擦力的大小主要與工作臺的相對速度、接觸面的潤滑狀況和負載大小等有關，普遍存在于定位控制、低速和速度變向的伺服運動控制系統中，而且可能隨著工作臺的位置和時間隨機變化。摩擦環節給系統的定位精度和加工性能帶來了不良影響靜摩擦或負斜率效應的存在不僅會使系統產生爬行現象或低速運行的跳動，還會導致系統產生穩態跟蹤誤差，不能保證系統的平穩運行。

4.加減速的影響

在理想狀態下，工作臺無論是在加速過渡過程中還是在減速過渡過程中的變形位移偏差值為零。但是由于工作臺在加減速過渡過程中的有效剛度和間隙不完全相等，即加速瞬態過程曲線與減速瞬態過程曲線存在一定偏差，這會造成整個系統定位的偏差，使實際位置與理想位置發生偏離，從而導致位置誤差。

高速加工過程中機械彈性變形會使工作臺加減速曲線產生回滯特性，使工作曲線與理想曲線產生偏離，進而使工作臺出現形變位移偏差，造成高速定位誤差。因此，數控加工實現高速高精度加工的要求之一是采用合理的加減速控制，同時保證各運動部件能在高速運行中準確的停在預定的位置，即能在最短的時間內達到給定的速度和到達指定位置。

5.系統增益的影響

現在的大多數高速數控機床都采用全閉環控制控制結構。這種閉環進給系統包括位置檢測單元、位置控制單元和速度控制單元等部分。位置檢測單元測得執行部件的實際到達位置，位置控制單元將位置指令幾與實際位置幾的差值乘以增益常數，經變換后得到速度指令電壓。將速度指令電壓與測速發電機的反饋電壓的差值通過速度控制器乘以增益常數得到伺服電機的電樞電壓，它控制電機旋轉速度。所以整個系統在偏差不為0時，始終處于不斷調整階段，只有當指令位置與實際位置相等時，即位置偏差值為0時，系統停止工作，執行部件到達指令所要求的位置。因此，增益系數在整個進給過程中，對系統快速到達指定位置起著至關重要的作用。

因為伺服系統中的增益系數大都是預先設定好的，在系統進給過程中不能隨著其他系統參數的變化而合理的調節，因此，單純使用傳統的PID控制方法進行控制時，在參數的選定上只能折中處理，很難達到高速高精度的控制要求。為了提高伺服系統的跟隨性能，改善和消除對加工精度產生影響的慣性、死區等因素，更好的實現高速高精度加工，必須研發出更加先進和完善的智能伺服系統。

本文針對影響定位精度的主要因素進行了分析。預先預緊能消除靜態間隙對系統影響，但是由于傳動系統各部分機械剛度的不同，在驅動力的傳遞過程中將使一些剛度相對較小的零件發生彈性變形而產生動態間隙，進而導致定位誤差;在作用力的方向上，減少的位移量轉變為存儲了的勢能，使工作臺因為機械彈性變形的原因，在對工作臺進行加速和減速控制時，會存在某些時間段內指令位移與工作臺實際進給位移有一個差值;摩擦阻力也會因為彈性變形導致接觸面發生變化進而發生位移改變。摩擦、剛度與間隙三者之間相互影響導致進給系統產生定位誤差，在高速加工中由于速度和加速度較大這種情形表現更為突出。

參考文獻：

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基金項目：

本論文是滄州市科學技術局重點研發計劃指導項目《高速數控機床伺服進給系統定位精度的控制研究》（課題編號：183102006）研究成果。

（作者單位：滄州師范學院機械與電氣工程學院）