數控機床運動精度穩定性檢測方法分析

李宏亮

（西山煤電股份公司 西山熱電有限責任公司，山西 太原 030053）

數控機床在現代的機械制造業中是一個十分重要的組成部分，它對現代工業的發展起著極其關鍵的支持作用。在數控機床的工作運行過程中，由于其自身的性質特殊，它是機械精度的加工程序，因此，會存在或大或小的誤差，這些誤差對于后期精度的加工是非常不利的，因此需要采取行之有效的措施。筆者從實際運行的角度出發，依據于其的標準化要求、運動的誤差及其模型的建立方法、運動誤差的檢測裝置、對誤差源的診斷等五個方面進行了分析研究。

1 數控機床運動精度穩定性的綜述

數控機床運動精度是指機床在處于正常的工作狀態時，在它的結構構造中幾個關鍵性的運動部件軌跡精度狀況，一般來說，它所反映的是數控機床在進行零件的加工中的必要刀具、操作臺幾的實際運行的軌跡以及其預期的運動軌跡的符合等級，它的大小主要是通過運動誤差來控制的。從實際的工作狀況來看，它的運動誤差受到幾方面因素的影響，主要包括主軸的回轉誤差大小、運行的速度、運動件的重力以及傳動件等，但是，其很大程度還是依靠于數控機床的運行狀況。這些都對加工的精度準確性有很大的影響，需要采取有計劃性和針對性的方法來進行控制。

2 數控機床運動精度的標準化

2.1 運動精度

運動精度是指數控機床在正常的工作狀態時，它的整個過程中可以實現的最佳的最貼合實際的加工處理精度，從實際的機床加工運行來分析，對于它的運動精度主要涉及下面五部分。

1）回轉運動的位置精度。

2）重復的精度大小。

3）直線運動位置的精度大小。

4）間隙存在的誤差大小。

5）遠點返回的精度。其中，間隙誤差指的是數控機床中的某個坐標軸進給傳動鏈上驅動部件的反方向盲區u，它是對各個不同的機械運動所發生傳動時反方向間隙所產生的誤差的全面體現，所反映的差值越大就說明它的位置精度和重復定位的誤差越大。

2.2 “圓運動”

通常情況下，對于多軸數控機床的加工處理是基于多軸聯動狀態下來實現的，從實際的應用來看，它的“圓運動”精度實現需要由檢測典型的和機床所通過的雙軸插補來最終合成。從重檢測機床來看，它的這方面精度是具有多方面包含信息的，它不僅可以及時快速地得到所需要機床的幾何精度、位置的誤差、重復精度等相關的信息資料，還能夠在此基礎上獲得與進給速度和伺服控制系統所有關聯的信息資料，同時除了這些涉及到的方面外，它還涉及到機床的其他方面，像爬行、標尺的偏差以及反方向的間隙等所引起的有較大誤差值的分量，因此，可以較為全面地反映出它的加工性能優劣。

3 數控機床所出現的運動精度偏差

3.1 所出現偏差的類型分析

一般來說，數控機床在正常運行下出現精度誤差并不是單一因素造成的，而是多個因素共同作用的結果，一般涉及到兩個類型：一是和位置相關的誤差；二是和進給速度以及方向相關的誤差。具體的誤差類型見表1.

表1 誤差類型表

3.2 數控機床運動誤差的建模

從實際情況來看，正常的狀態下，對于機床的不同誤差分量進行測量和補償工作是按照既有的要求順序來開展的，也就是三個主要環節：首先，要對誤差進行建模和區分；其次，再把之前就已經明確的誤差分量和相應的部件兩者之間的關系進行規范定位；第三，要對存在的誤差進行補償時，要根據實際選擇最為合適有效的控制操作指令，確保其有高效運行的條件。

3.2.1 誤差矢量化模型

根據在實際中的運行原理來看，主要是利用眾多部件和其位置空間矢量化，在機床自身確定以點作為基準點，然后再根據這個基準點做出其到刀具和基準點兩者間的路徑，這個路徑是矢量的，有兩條這樣的矢量路徑。機床的性質特殊性，它存在有一定的誤差，因此，從這方面來講，原有的集合于事前的那個基點具有兩條路徑出現了特別大的偏差值，Kakino根據這些誤差源之間所產生的誤差制成軌跡圖，但是這個討論往往忽視了一個關鍵點，就是沒有把3根導軌之間的垂直度誤差放在至關重要的地位來看待。

3.2.2 剛體存在的運動學模型分析

最先闡述這一模型的是A.C.Okafor提出的，它的主要根據就是在剛體運動學原理以及誤差的小角近似法的利用下，對數控機床進行綜合的分析，把它的各個軸與其他部件和坐標系之間存在的內在關系模式通過齊次變換矩陣來表示出來，一般是采取4×4的矩陣形式，這個形式的矩陣所代表的含義是一個坐標系到另一坐標系之間的過度矩陣。經過上述的做法后，就可以得到合成機床所存在的運動誤差大小以及位置的誤差，在此基礎上又可以順利的獲得多軸加工中心存在的運動誤差的表述式。

3.2.3 高階導軌坐標系統模型

這一模型是由J.M.Lai提出的，簡單來說就是，根據需要描述了一種新的方式，即從指令坐標到絕對坐標之間的矩陣轉換，其中就包含著誤差矢量的高階項，這種模型方法較為適合具有運動性能中精度十分高的機床判斷。此外，在這個模型的作用下，還可以積極的采用雙球規來實現導軌系統內部中具有的非線性誤差源進行高效合理的判斷標明，基于此，就可以進一步的提高檢測的精度準確性，因為其中涉及到一個重要的部分—高階分量，這就決定了最后的建模還是較為復雜的，會使誤差分量的區別軟件也會因此變得更為復雜，不過對于用戶來說，還是具有主動性的，可以根據自己的意愿最終決定出所需要的計算復雜難度大小。

4 數控機床運動精度穩定性誤差的檢測方法分析

4.1 基準棒-單向微位移法

這種方法主要采用的是市面上銷售的接觸式位移計來實現測量的，見圖1，這種裝置可以實現對裝夾在主軸之上的圓柱型基準棒和設置在雙向工作臺“回轉軸”上各個參考點之間的距離變化進行測定，它的測量精度一般不是特別的準確，很容易受到其他影響因素的干擾，例如基準棒的圓度、機床的主軸回轉的精度、接觸點的振動等方面。

圖1 接觸式位移計圖

4.2 全周電容-圓球法

這種方法的精度十分好，從它的結構構造來看，它的總的裝置是由裝夾在主軸之上的鋼球來進行環繞的，借此作用來實現在雙向工作臺上的另一鋼球回轉進行固定，同時作圓插補動作，這就可以有效的確保兩個鋼球能夠直接作為電容的兩個極，那么這兩個鋼球之間的間隙變化就說明了圓插補運動軌跡是否正確良好。

4.3 四連桿機構

它的兩個鉸節點位置是處于主軸頭和工作臺之上的，對于它的兩個鉸節點之間的相對位移的變化主要是通過兩個不同的元件進行的，即電容測微儀和激光-光敏元件，然后再得到圓運動軌跡的變化，但是，這種方法也存在一個缺陷就是它的測量靈活度常常是不穩定的。

4.4 雙連桿-角編碼法

所謂的雙連桿-角編碼法，就是在兩連桿機構中，它的一端在角編碼器的作用下實現了相互之間的鉸鏈后，對于它的后一個連桿另一端來說，和前者相差不多也是以此種形式進行雙向工作臺安裝的。不過不同的是，由于兩個連桿的臂長的長度是固定不變的，則對于工作臺的圓插補運動來說，它所產生的運動軌跡的極坐標方程是會和實際的位置有一定的差異，可以根據兩個角編碼器的讀數進行測量得出，這種方法的優點就是簡單且價格成本也較低。

4.5 雙球規法

它的主要裝置的形式是采用兩個較為精密的金屬圓球以及能夠進行相對伸縮的兩個套管來一起完成的，在它的套管內部安裝有一個微位移計，并且它的兩個金屬鋼球在它的兩端部分都設置有一個具有磁性特性的凹球吸座，它的一端是直接吸附在雙向的工作臺上，另一端是裝夾在它的工作主軸上。對于工作臺來說，如果做相對于主軸的圓插補運動時，那么內藏式的位移計就可以順利的通過這兩個鋼球之間，而它的實際距離變化則又可以反映出它所產生的運動軌跡的精度信號，如果機床是正常的，那么軌跡就是無畸變的真圓，反之便不是。

5 總 結

數控機床在現代機械制造行業中已經得到了廣泛的發展和應用，并且也有良好的應用效果，針對于它在應用中出現的運動精度穩定性的誤差現象需要根據誤差的產生原因，采取正確的方法進行改進和檢測，進而提高它的運動精度穩定性。

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