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數控機床進給（gěi）係統進給精度（dù）誤差分析及優化

2015-12-7 來（lái）源：數控機床市場網（wǎng）作者（zhě）：中捷機床有限公司，洪壽（shòu）福軒廣進張洋

摘要：數控機床為縮短機械（xiè）加工時間，進給速度及加速度的不斷提高，對加工工件的精密性更加加強（qiáng），對其進給係統傳動精度要（yào）求更加（jiā）嚴格，直線光柵尺閉環控（kòng）製傳動鏈結構，對優化（huà）進給精度誤差簡單可靠。

關鍵詞（cí）：定位誤差（chà）進給係統光柵尺絲杠支撐方式

在不斷增長（zhǎng）的競爭壓力下，對現代化數控機床的生產效率和加工精度的要求也不斷提高，同時（shí）機床的穩定（dìng）性（xìng）（各軸進給誤差）和使用壽命也相（xiàng）應變得越來越重要。這些（xiē）變化直接導致了對（duì）機床進（jìn）給（gěi）控製檢測要求（qiú）的提高。機床總誤差中進給係統的定位誤差為舉足輕重。目前（qián）數控機床加工零件加工精（jīng）度要求（qiú）高時，本身機械裝配已無法滿足要求機床各進給軸。必（bì）須通過直線（xiàn）光柵尺直接反饋進給係統運動誤差閉環控製（zhì）進而通（tōng）過數控係統精細補償滿足前述高加工精度要求。

1 進給傳動係統的結構

數（shù）控機床設計多種多樣,但進給（gěi）係統結構大多相同。滾珠絲杠被用於實現伺服電機旋轉運動到滑板的（de）直線運動的轉換。絲杠兩端支撐座內部的軸（zhóu）承承受進給運動及（jí）加（jiā）工的切（qiē）削軸向分（fèn）力。伺服電機通過聯軸器與絲杠聯接（jiē）。而進給運動的位置值是通過直線光柵尺或（huò）電機編碼器加（jiā）載（zǎi）到絲杠（gàng）旋轉運動上的。單純（chún）使用編碼器對滾珠絲杠進（jìn）行位置控製時腔製環檢測到的數據是電（diàn）機轉子角度位置並非機床滑板的直線運動（dòng）位置。為了從（cóng）電機（jī）轉子的角度位置精確推算出滑板的直線位置,驅動電（diàn）機與（yǔ）滑板間一切傳動係統的性能必須已知重複性必須（xū）高。而（ér）直線（xiàn）光（guāng）柵尺控製包（bāo）含了（le）整個進給係統。進給係統的機械傳（chuán）動（dòng）誤差由光柵尺測（cè）量通過數控係統進行補償減少進給運動（dòng）定位誤差。

1.1 運動誤差

直接（jiē）采用旋轉編碼器十絲杠（gàng）係統帶來（lái）的是絲杠螺距誤差。進給係統的間隙及螺距損失。由於滾珠絲杠的螺距用來直（zhí）線測（cè）量的標準珠絲（sī）杠的螺（luó）距誤（wù）差直接影響（xiǎng）測量（liàng）結果。進給係統（tǒng）內部間隙會導致1到10 μm左右背隙出（chū）現。絲杠運動一定時間後可達到伸長平衡狀態。這個過程（chéng）中會導致絲杠定位產（chǎn）生非線性誤差。

誤差（chà）補償

數控係統由螺距補償（cháng）和背隙補償。補償值需通（tōng）過激光幹涉儀等（děng）檢測測量。

進給係統的受力變形

在使用滾珠絲杠和編碼器來進行測量時,滑板加速移動產生的慣性力、切削（xuē）力、導軌內的摩擦力（lì）等機構變形力導致滑板軸向有位置偏移。經驗值,直徑40mm 滾珠絲杠,平均軸（zhóu）向偏移（yí）100/200N/μm之間。

慣性力

機床滑板（bǎn）的移動加（jiā）速度越來越高移動慣性力對（duì）進給係統的變（biàn）形也（yě）越來越大。

切削力

機床的切削力很容易達到（dào）幾千牛不僅作用於（yú）進給係統還作用於工件幾刀具上（shàng）。而光柵尺補償小部分的變形。所以一般在進行工件（jiàn）精加工時應用較小的進給（gěi）力進行加工。

摩（mó）擦力

根據導軌形式不同摩擦力僅滾動（dòng）導軌垂（chuí）直方向力的滑動導軌垂直方向力的口左右。另（lìng）外進給係統中最大的摩擦力產生於絲杠螺母。原因（yīn）是絲杠螺母在進給（gěi）運動中進行複雜的滾動及滑動相結合運動。

1.2 進給係統誤差來（lái）源

絲杠發熱產生定位（wèi）誤差

在采用編碼器（qì）進行位置控（kòng）製（zhì）時由於滾珠絲杠發熱（rè）而導致定位誤差是最大（dà）的誤差來源。

原因（yīn）是（shì），廠方麵在將電機的旋轉運動轉為線性運（yùn）動時絲杠要有高剛性，另一方麵絲杠起長度標尺（chǐ）作（zuò）用。這種雙重功能使得（dé）機床設計時必須滿足這兩（liǎng）方麵要求。而（ér）絲杠的剛性取決（jué）於絲（sī）杠的兩端固定預緊。

滾珠絲杠支撐軸承對定位精度影響

如圖a 絲杠單邊（biān）固定安裝時，絲杠可（kě）以按溫度變（biàn）化由緊固端出發（fā）自由伸長（zhǎng）。通常用於短絲杠和垂直進給絲杠，承（chéng）載（zǎi）能力小軸向剛度低。

如（rú）圖b 絲杠單邊固（gù）定安裝，一端浮動時,絲杠可以按溫度變化由緊固端出發有微量軸向浮動，通常用於絲杠較長情況。

如圖c 絲杠（gàng）兩端固定安裝（zhuāng），並對絲杠施加預緊力時，絲杠的軸向剛（gāng）性大大提（tí）高但對（duì）熱變形較為敏感。

如圖d 由絲杠兩端雙重（chóng）支撐固定安裝，並對絲杠施（shī）加預緊力時，使絲杠有較大的剛度，還可以把絲（sī）杠熱變形釋放到推力軸承預緊中。所以必須（xū）考慮推力軸承的承載能力。

2 結論

機床進給係統因滾珠絲杠兩端支撐軸承及絲杠（gàng）螺母發熱，在采用半閉環控製時會導致極大的定位誤差。通過絲杠和旋轉編碼器定位的半閉環控製最大問題是滾珠絲杠的熱身長。這類伸長過（guò）程常見時間常（cháng）數為12小時（shí），按加（jiā）工程序的不同會產生 0.1mm 數量級的誤差。而這類誤差在數（shù）控機床（chuáng）整體誤差中占主導地（dì）位。

綜上述分析，為了（le）減少進給誤差（chà）滿足機床精度及速度要（yào）求有必（bì）要采用直（zhí）線光柵尺進行（háng）閉環控製。

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