數(shù)控機床誤差分析及位置精度提高方法

劉力學

[摘要]隨著以制造業(yè)數(shù)字化、智能化為主導的第三次工業(yè)革命即將到來，先進制造技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)涵主要包含產(chǎn)品設(shè)計創(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)，將為我國的制造業(yè)發(fā)展帶來前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機床；誤差分析；位置精度

1.數(shù)控機床誤差分析

1.1數(shù)控機床誤差來源

機床加工零件的過程就是刀具與毛坯或工作臺相對運動的過程，因此兩者之間相對運動的準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。

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

1.2傳動精度對機床精度的影響

位置精度是衡量數(shù)控機床性能的重要指標，包括數(shù)控機床加工精度、定位精度和重復定位精度。影響數(shù)控機床精度的因素很多，主要取決于機床的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和熱態(tài)特性。主要因素有以下幾個方面：⑴組成機床的零部件加工時產(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機床內(nèi)外的熱源引起的熱變形誤差；⑶機床的剛度、機床質(zhì)量及切削力不足引起的振動誤差；⑷機床主軸和進給伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的伺服跟隨誤差；⑸數(shù)據(jù)插補運算過程中產(chǎn)生的插補誤差；⑹其它誤差，如檢測誤差、外界環(huán)境變化引起的環(huán)境誤差。

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

1.3主要性能差距

就機床機械結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外數(shù)控機床的差別并不大，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)和核心傳動功能部件的轉(zhuǎn)動和進給速度、位置精度和可靠性方面，以及整個機床的制造裝配工藝水平與整體質(zhì)量，這是國外產(chǎn)品占有相當份額的原因所在。

國內(nèi)外此類產(chǎn)品的主要性能差距有如下幾個方面：⑴主軸轉(zhuǎn)速；⑵快速進給速度；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)控機床的位置精度通常采用誤差防止和誤差補償兩種方法。誤差防止法是通過機床合理設(shè)計、零部件加工、合理裝配、機床環(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)控機床位置精度的最基本、最有效的手段。誤差補償法是通過分析影響機床加工精度的不同類型誤差的來源，進行機床誤差數(shù)學建模，通過對機床機械系統(tǒng)的誤差進行修正，從而提高機床的加工精度。

2.1誤差防止法

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

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

⑵熱變形誤差。熱變形誤差是機床的發(fā)熱部位產(chǎn)生熱量，熱量通過各種介質(zhì)向外傳遞，導致機床關(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床加工精度的第二大影響因素，熱變形誤差補償是提高機床精度的重要途徑之一，對熱變形誤差補償?shù)难芯客碛趯缀纬叽缯`差研究，目前減小熱變形誤差的方法主要有硬補償和軟補償兩種方法。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途徑：減少熱源和控制熱流、優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和改善熱傳導性能。在精密和超精密零件加工中，這些機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，進而減少由此引起的熱量；另一方面，合理布置機床結(jié)構(gòu)，盡量采用對稱布置，加快溫度場熱平衡，將相變理論應用到機床基礎(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。進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的一個重要組成部分，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、動態(tài)特性對數(shù)控機床的定位精度、加工精度和位移速度有直接影響，對伺服系統(tǒng)的要求主要是精度、快速性和穩(wěn)定性三個方面。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是按照數(shù)控裝置的控制指令實現(xiàn)，由步進電動機或伺服電動機與傳動機構(gòu)結(jié)合來傳動，因此，引起伺服系統(tǒng)的變化復雜，進而影響到加工誤差。在數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中，各坐標軸伺服系統(tǒng)準確跟蹤數(shù)控指令的能力十分關(guān)鍵。目前對伺服系統(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插補誤差。在數(shù)控加工過程中，對于復雜零件的加工，由于刀具運行軌跡非常復雜，計算工作量大，很難準確地滿足數(shù)控加工的實時性要求。因此在實際加工中，根據(jù)加工時進給速度的要求，采用插補運算的方法，完成在起點到終點的數(shù)據(jù)點密化工作，從而形成坐標軸的運動軌跡。針對插補運算過程中存在的誤差問題，采用二維非參數(shù)曲線插補算法、弧長接近參數(shù)值的五次樣條曲線、二次泰勒級數(shù)展開式基礎(chǔ)上的參數(shù)補償?shù)确椒ǎ瑏頊p小插補誤差，提高插補計算精度。

⑸其它誤差。①環(huán)境誤差；②檢測誤差。

2.2 誤差補償法

誤差補償法既要涉及機床各種誤差的正確測量，而且也存在機床誤差的運動學建模的問題。運用現(xiàn)代測量工具和技術(shù)測得機床幾何誤差比較容易，但機床熱誤差的精確測量相當困難。

運動學建模是對于與機床運動相關(guān)的誤差成分來建立數(shù)學模型，所有的誤差均需要通過實測獲得，在補償過程時，誤差補償系統(tǒng)則根據(jù)運動學和誤差模型以及實時反饋得到機床的最終誤差，再進行實時補償。

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

結(jié)論

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

參考文獻

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

[2]周紅力.數(shù)控機床定位精度研究[D].長沙：湖南大學，2008.