機(jī)床加工定位誤差原因分析

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

1 定位誤差機(jī)理分析

在機(jī)床的結(jié)構(gòu)分析中，機(jī)床具有3 個(gè)平動(dòng)軸，這3 個(gè)軸是機(jī)床重要的組成部件，同時(shí)也是機(jī)床誤差主要的來源。而機(jī)床的精度直接影響零件的精度，在機(jī)床的加工過程中，定位直接影響零件加工，所以定位精度也是衡量一個(gè)機(jī)床好與壞的指標(biāo)之一。

定位精度的定義是機(jī)床中零件或者刀具實(shí)際位置與理論位置出現(xiàn)的差異，這個(gè)差異越小，表明機(jī)床的定位精度越高，越大表面機(jī)床的定位精度越差。

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件位置和速度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床控制本體之間的一個(gè)橋梁，是重要的聯(lián)系環(huán)節(jié)，同時(shí)也是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。伺服是機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)按照數(shù)控機(jī)床指令實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，參數(shù)包含工藝中的速度，運(yùn)動(dòng)方向、加工起點(diǎn)等。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)需要具有精度高、穩(wěn)定性好、對(duì)指令相應(yīng)速度非常快的特點(diǎn)，主要的控制方式有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等。

機(jī)床是由金屬組成的，金屬具有熱脹冷縮的特點(diǎn)，機(jī)床在對(duì)零件進(jìn)行加工的過程中，由于刀具和零件之間的切削運(yùn)動(dòng)，齒輪之間的運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)功率的損失都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量在機(jī)床本身的內(nèi)部會(huì)對(duì)機(jī)床產(chǎn)生影響，這種熱誤差是非線性誤差，可以歸類到靜態(tài)誤差之中，圖1 為機(jī)床產(chǎn)生的熱量對(duì)機(jī)床的影響。

通過對(duì)機(jī)床熱變形機(jī)理進(jìn)行分析，機(jī)床發(fā)生熱變形的主要原因是機(jī)床本身受到內(nèi)部和外部的熱變化，從而使機(jī)床本身發(fā)生熱變形。如果機(jī)床一旦發(fā)生了熱變形，機(jī)床零部件之間的摩擦力會(huì)發(fā)生變化，摩擦加劇產(chǎn)生的熱量會(huì)更多，這樣就會(huì)使熱變形變得更加劇，所以為了在機(jī)床運(yùn)行過程中，不會(huì)產(chǎn)生大量的溫度，通過提高機(jī)床零件的精度和將主機(jī)分離，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間增加一些潤滑，降低機(jī)構(gòu)之間的熱量[1]。

2 滾珠絲杠特性分析

在機(jī)床的結(jié)構(gòu)分析中，滾珠絲杠是機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)組成部分中非常重要的部分。其精度直接影響機(jī)床自身的加工精度，同時(shí)在滾珠絲杠工作的過程中，如果外部熱源直接進(jìn)入到滾珠絲杠內(nèi)部，滾珠會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的精度會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給量會(huì)受到影響，就會(huì)使得機(jī)床加工精度受到影響，零件加工完成之后尺寸可能有誤差[2]。

圖1 機(jī)床熱變形機(jī)理

由于滾珠絲杠的精度對(duì)機(jī)床的影響非常大，針對(duì)滾珠絲杠的溫度研究，需要利用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行解析，在實(shí)驗(yàn)過程中需要對(duì)滾珠絲杠的熱特性進(jìn)行分析，熱傳導(dǎo)是熱量傳遞中非常重要的指標(biāo)。熱的傳遞方式有3 種，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。滾珠絲杠熱特征分析中，熱量主要是通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量傳遞的[3]，熱傳導(dǎo)符合傅里葉定律：

式中：q—熱流密度。

λ—導(dǎo)熱系數(shù)。

上述公式中的“-“標(biāo)示的是熱在傳導(dǎo)過程中熱量的流動(dòng)方向，熱量是向著溫度低的方向流動(dòng)的。

在對(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)行分析的過程中，支持整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的軸承也是需要進(jìn)行分析的。在軸承的熱系統(tǒng)分析中，軸承主要是一個(gè)熱量產(chǎn)生位置，是發(fā)出熱量的。原因是在滾珠絲杠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，軸承是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，軸承內(nèi)部的滾珠和內(nèi)外圈之間會(huì)因?yàn)槟Σ恋脑虍a(chǎn)生熱量，發(fā)出的熱量可以利用公式計(jì)算得出，具體的公式計(jì)算如下：

式中：Q—單位時(shí)間發(fā)熱量，單位kW。

n—軸承轉(zhuǎn)速，單位r/min。

M—軸承摩擦力矩，單位N×m。

在對(duì)軸承熱量的研究中，可以發(fā)現(xiàn)軸承的熱量和軸承的速度是成正比的。如果軸承旋轉(zhuǎn)的速度越快，軸承發(fā)出的熱量越多，同時(shí)這個(gè)發(fā)出的熱量和軸承的摩擦力也是成正比的。摩擦力越大，發(fā)熱越多，軸承的摩擦力是軸承滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦和潤滑劑摩擦的總和。

3 定位誤差建模與補(bǔ)償

機(jī)床定位誤差和機(jī)床本身的誤差在不同溫度下和環(huán)境中是不同的。機(jī)床的定位誤差有幾何誤差和熱誤差2 種，定位誤差是隨著機(jī)床溫度的變化增大而增大。所以在對(duì)機(jī)床定位誤差進(jìn)行分析的時(shí)候，不能通過單一溫度進(jìn)行分析，需要進(jìn)行全溫度的測(cè)量模型。

對(duì)數(shù)控機(jī)床定位誤差進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，將立式加工中心作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將加工中心標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)軸XY 軸分別增加一個(gè)激光干涉儀，通過干涉儀對(duì)加工中心3 個(gè)方向進(jìn)行定位誤差測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。在數(shù)據(jù)采集中，為了能夠保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效，需要在每個(gè)方向上至少采集3 組以上數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)取平均值來最為最終的數(shù)據(jù)結(jié)果[4]。

在對(duì)機(jī)床的定位誤差的研究過程中，從實(shí)驗(yàn)和最終的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)誤差是真實(shí)存在的，同時(shí)也是不能消除掉的。所以需要誤差補(bǔ)償技術(shù)來消除這個(gè)誤差。誤差補(bǔ)償技術(shù)是利用一些人為技術(shù)將機(jī)床的定位誤差抵消掉，這種手段來提高機(jī)床的加工精度的方法之一，同時(shí)也是最有效的方法。

誤差補(bǔ)償技術(shù)的原理是將加工零件或者機(jī)床的刀架進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，使得刀具與工件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化。通過這種方式將在定位過程中存在的實(shí)際偏差消除掉。誤差補(bǔ)償?shù)目刂品绞接? 種形式，分別為開環(huán)前饋補(bǔ)償、閉環(huán)前饋補(bǔ)償及半閉環(huán)前饋補(bǔ)償。開環(huán)前的控制方式是對(duì)機(jī)床進(jìn)行模型分析，實(shí)際分析的結(jié)果將誤差補(bǔ)償位置增加到機(jī)床存在誤差的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)誤差的消除。這種誤差補(bǔ)償技術(shù)成本低，但是對(duì)誤差消除的效果不佳；閉環(huán)的控制方式是機(jī)床在對(duì)零件進(jìn)行加工的時(shí)候，對(duì)實(shí)時(shí)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，這種控制方式的控制精度非常高，同時(shí)成本也非常高。

考慮到技術(shù)和成本等方面，一般的機(jī)床都是以半閉環(huán)的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。半閉環(huán)的控制方式是將機(jī)床的參數(shù)和誤差作為模型的變量，在通過對(duì)誤差和變量之間建立分布規(guī)律，再將這些規(guī)律和檢測(cè)的數(shù)據(jù)作為誤差補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，具體的控制方式如圖2 所示。

圖2 半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制方式

4 結(jié)論

該文從機(jī)床定位誤差的產(chǎn)生來源點(diǎn)可以分析出影響機(jī)床定位誤差的根本原因，這個(gè)方法可以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)控制方法的設(shè)計(jì)。再對(duì)滾珠絲杠在不同載荷作用下產(chǎn)生的熱量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，可以解決機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)在加工零件時(shí)候產(chǎn)生的加工誤差。對(duì)機(jī)床全溫度狀態(tài)下進(jìn)行分析，可以總結(jié)出機(jī)床誤差的變化規(guī)律，利用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽C(jī)床誤差消除掉在今后的機(jī)床發(fā)展中，還需要設(shè)計(jì)人員不斷的研究機(jī)床補(bǔ)償技術(shù)，通過機(jī)床加工的實(shí)時(shí)補(bǔ)償完成對(duì)零件精度的保證。