數(shù)控機床4.doc

數(shù)控機床誤差分析與控制機床與數(shù)控技術的結合使得數(shù)控機床在現(xiàn)代制造業(yè)中占主導地位，它的制造精度和控制精度直接決定了整個國家制造業(yè)的水平，由于制造、安裝、磨損、變形等原因，任何數(shù)控機床都存在誤差現(xiàn)象。誤差現(xiàn)象的普遍存在，嚴重影響著制造精度和控制精度，誤差問題一直受到人們的關注1。許多研究人員對誤差的防止和補償進行了長期的研究，在誤差防止和補償領域也取得了一定的成果，而誤差補償也從早期的硬件式補償向軟件式補償發(fā)展，但誤差補償應用到實際生產(chǎn)中還有很大難度，如何快速經(jīng)濟有效的解決誤差問題已是刻不容緩的事情。1誤差及其分類一般地說，數(shù)控機床的不精確性是由以下原因造成的:(1)機床熱變形誤差；(2)機床零部件和結構的幾何誤差；(3)切削力引起的誤差；(4)刀具磨損誤差；(5)其它誤差源，如機床軸系的伺服誤差，數(shù)控插補算法誤差等等。由于在機床的各種誤差源中，熱誤差以及幾何誤差占據(jù)著絕大部分2-4。在數(shù)控機床加工過程中，各種各樣的誤差源作用在工件成形過程中，使加工過程偏離給定軌跡，造成了加工誤差。誤差可以按照以下幾種方式來分類。（1）根據(jù)誤差產(chǎn)生的根源可分為：幾何誤差：機床的原始制造、裝配缺陷等造成的機床誤差，是機床固有的誤差。影響機床的重復精度和運動精度，可以直接測量，但是測量結果包含其它原因造成的比如說熱誤差。熱誤差：機床溫度變化引起熱變形所造成的機床誤差。具有復雜非線性特性，致使測量困難。運動誤差：反應了機床達到準確位置的能力。運動誤差受機床溜板、齒輪、軸承、電機等的影響。幾何誤差和運動誤差是內在聯(lián)系的。力誤差：機床受力(包括切削力、工件和夾具重力、裝卡力等)引起變形所造成的機床誤差，也稱為剛度誤差?？刂普`差：機床的控制系統(tǒng)性能所造成的機床誤差。檢測誤差：檢測系統(tǒng)的性能、測量精度等造成的機床誤差。隨機誤差：外界干擾造成的機床誤差。（2）根據(jù)誤差產(chǎn)生的條件可分為：靜態(tài)誤差：不隨時間變化，可以事先進行測定，它包括機床的幾何精度和定位精度兩項內容，反映的是機床的原始制造精度以及機床本身的重力引起的誤差等。準靜態(tài)誤差：它也主要由機床本身的制造精度決定。之所以稱為準靜態(tài)的，是指其指標在給定的條件下，能夠在一定時期內基本保持不變或變化緩慢。機床的準靜態(tài)誤差對加工產(chǎn)品的尺寸精度占很大的比重。如機床熱誤差、工件熱誤差、刀具磨損(引起)誤差等。動態(tài)誤差:是指機床在實際切削加工條件下加工的工件所達到的精度，它不僅與數(shù)控機床的原始制造精度相關，如加工時的夾具、刀具和工件本身的誤差，也與切削時的力、速度等相關。高頻誤差:也是一種動態(tài)誤差，如震動引起的誤差等。目前，大量的研究主要集中在機床精度建模技術、誤差檢測技術和精度補償技術等方面。數(shù)控機床精度建模技術是基于機床運動學和誤差傳遞規(guī)律，建立機床部件誤差與刀具定位誤差之間的數(shù)學關系。機床運動誤差的正確建模是誤差分量識別和補償?shù)那疤釛l件5。2控制誤差分析數(shù)控機床控制系統(tǒng)包括閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)，對于開環(huán)系統(tǒng)，其插補多用逐點比較法，機床受脈沖驅動，在不丟步的情況下，機床嚴格按照脈沖進給，不存在滯后，因而不存在滯后誤差。但對于閉環(huán)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)多用時間分割法插補原理，是基于采樣反饋的原理來跟隨輸入，無法避免滯后帶來的誤差，滯后會帶來輪廓的誤差。本章將分析滯后誤差及其帶來的輪廓誤差。插補過程中采用不同的插補方法也會產(chǎn)生不同的誤差，因而同時分析插補過程中各種原理帶來的誤差，并給出減小誤差的方案。2.1 輪廓跟隨誤差分析數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的動特性將影響數(shù)控機床的輪廓加工精度。因為，在一個伺服系統(tǒng)中，包含了電子、電機、液壓、機械等各種部件，系統(tǒng)中有慣勝、阻尼，這就造成了伺服系統(tǒng)的實際輸出滯后于輸人信號48， 產(chǎn)生跟隨誤差。低速運動時系統(tǒng)可以較好的跟隨輸入，高速運動則會帶來較大的輪廓誤差49。如果兩個軸的增益不同，則會造成兩個軸的運動不協(xié)調，從而帶來輪廓誤差。兩軸增益相同時，兩軸運動協(xié)調，但相同的滯后也會帶來合成運動的滯后，從而帶來輪廓誤差。由于跟隨誤差是數(shù)控系統(tǒng)的特性，無法根本消除，只能對其調整來減小誤差，而不能從根本上消除，所以有必要對其分析，確定跟隨誤差帶來的輪廓誤差，對誤差進行預判，并提出相應的對策減小或消除輪廓誤差。在數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中，若每個進給軸的位置環(huán)增益不一樣，則會產(chǎn)生輪廓誤差。輪廓誤差是指實際輪廓軌跡與理論輪廓軌跡之間的最短距離。2.2 插補原理誤差當用數(shù)控機床加工零件時，根據(jù)數(shù)控裝置所具有的插補功能的不同，可用直線或圓弧去逼近零件輪廓。當用直線或圓弧逼近零件輪廓曲線時，逼近曲線與實際原始輪廓曲線之間的最大差值，稱為插補誤差。插補誤差是由插補原理帶來的，不同的插補原理誤差是不同的，但都不能從根本上消除。在數(shù)控加工過程中, 刀具是沿各個坐標軸一步一步移動的，刀具移動的最小距離即為脈沖當量或最小設定單位。從理論上講，刀具的軌跡只能是平行于坐標軸的折線，而不可能是一條光滑的曲線。因此，刀具不可能嚴格按照所加工的曲線運動，而只能以折線來近似代替，這種代替的過程就是插補。在插補過程中必然要產(chǎn)生誤差, 但只要所產(chǎn)生的誤差在所要求的范圍之內，這個誤差將是允許存在的51。我們現(xiàn)在所分析的問題就是用什么樣的折線，怎樣代替所加工的曲線,或者改變什么參數(shù)，使誤差盡可能地減小。有逐點比較法插補誤差法，時間分割法插補誤差等方法。時間分割法的原理是：系統(tǒng)在每個周期內根據(jù)進給速度計算出各坐標軸在下一插補周期內的位移增量(數(shù)字量), 并把位移增量輸送到伺服系統(tǒng),使各進給軸按給定的位移增量運動，可保證每個插補點均落在被插補的曲線。3.間隙誤差與垂直度誤差機床在長期運行過程中，磨損及震動將帶來間隙和機床部件之間的錯位。對于具有傳動系統(tǒng)的機床，磨損將會帶來齒輪和絲杠等傳動部件之間的間隙，表現(xiàn)在機床加工過程中即是機床反向時，機床運動的不協(xié)調，反向軸的運動被抵消，從而帶來零件的誤差。而部件的錯位將破壞導軌之間相互之間垂直的精度。對于間隙和垂直度誤差，其補償只需要一個數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)可以從實際中測量.3.1 絲杠間隙誤差分析與補償絲杠預緊力不夠或磨損導致絲杠螺母副出現(xiàn)間隙。在數(shù)控機床的進給傳動鏈中，齒輪傳動、絲杠螺母副等均存在反向間隙，對于采用開環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床。反向間隙的存在會影響到機床的定位精度和重復定位精度，從而影響到產(chǎn)品的加工精度,這就需要數(shù)控系統(tǒng)提供反向間隙補償功能，并且隨著數(shù)控機床使用時間的增長，反向間隙還會因磨損造成的運動副間隙的增大而逐漸增加，因此需定期對數(shù)控機床各坐標軸的反向間隙進行測定和補償54。其補償方法有直線間隙補償，圓弧間隙補償?shù)?。如用計算機軟件進行補償，不僅方法簡單方便，而且也不需追究間隙產(chǎn)生的原因55。3.2數(shù)控機床垂直度誤差分析與補償由于機床本身的安裝不當或長期運行時的震動等內力和外力的作用，導軌的垂直度誤差逐漸的超出設計允許的范圍。垂直度誤差會帶來輪廓誤差和位置誤差。垂直度誤差包括線對面的垂直度誤差與線對線的垂直度誤差，數(shù)控機床在加工過程中，各軸的垂直度誤差都經(jīng)過測試，滿足機床的設計精度，經(jīng)過一段時間的使用，垂直度誤差超過設計精度時，就需要進行修正，垂直度超差的原因主要是各配合部分的移動，以三軸龍門式銑床為例，龍門經(jīng)過長時間的震動與受力，經(jīng)常會發(fā)生偏移，這時就會出現(xiàn)x 軸y 軸之間垂直度誤差的出現(xiàn)，誤差主要出現(xiàn)在一個方向，即xy 平面內，可以認為是線對線的垂直度誤差，本文主要討論線對線的垂直度誤差。垂直度誤差影響孔位精度，在導軌幾何誤差中影響影響孔位精度的主要因素有，與孔垂直的平面內的導軌直線度誤差和此平面內縱橫兩個方向導軌之間垂直度誤差。加工大孔距時，尤其是孔距接近工作臺極限行程時，垂直度誤差對孔位精度的影響，遠大于直線度誤差的影響59。此外，垂直度誤差帶來了直線輪廓誤差，圓弧輪廓誤差等。針對直線輪廓的垂直度誤差，因為存在垂直度誤差的直線輪廓仍為直線，因而直線輪廓的補償可以采用改變直線斜率的方法，即可以采用改變直線終點的方法。而對于圓弧輪廓誤差，如果要使加工出的圓弧與理論圓一致，可以設實際加工出的圓弧的方程滿足理論圓的方程，那么實際的圓弧輪廓可以根據(jù)點的變換，將理論上的圓弧輪廓用方程表達出來，編程時可以根據(jù)理論圓弧輪廓進行編程，調整垂直度誤差的值即可以實現(xiàn)圓弧垂直度誤差的補償。4.螺距誤差與熱誤差螺距誤差可以在制造的過程中產(chǎn)生，也可以在長期運行中逐漸的磨損引起，而熱誤差是由機床的受熱膨脹帶來的，受熱膨脹包括床身和絲杠的熱伸長，伸長通過一定的方式作用在加工過程中，使零件的加工精度下降。單端固定的絲杠，保持絲杠一端固定將會使絲杠向同一個方向伸長，如果固定端與機床原點重合，那么床身的熱伸長將不會影響精度，熱誤差主要由絲杠的熱伸長決定。因而熱誤差與機床結構有關，絲杠螺距誤差對所有的機床性質都是相同的。4.1 螺距誤差分析與補償在開環(huán)與半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中,滾珠絲杠螺母副處在進給系統(tǒng)傳運鏈的末端,它的傳動誤差將直接影響定位精度。其中最重要的是絲杠的螺距累積誤差。在機床使用過程中，定位精度進一步受到負載變化、振動、熱變形、機床導軌和滾珠絲杠螺母副的磨損以及數(shù)控裝置元件特性變化的影響62。螺距累積誤差可分為等間距螺距誤差和存儲型螺距誤差兩種。等間距螺距誤差即是每兩個螺距之間的螺距比理論螺距增加或減小一個相同的值，存儲型螺距誤主要由長時間使用的磨損造成，螺紋中心線之間的距離；一般保持不變，螺紋牙型變小。螺距誤差補償對開環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)具有顯著的效果，可明顯提高系統(tǒng)的定位精度和重復定位精度螺距誤差補償原理包括電氣補償法和軟件補償法。（1）電氣補償法在控制系統(tǒng)中設置相應的螺距補償電路，以達到誤差補償?shù)哪康?。?jīng)濟型數(shù)控機床通常采用此方法進行螺距累積誤差補償，來提高定位精度。絲杠螺距累積誤差補償采用定點的脈沖補償方法修正螺距累積誤差。根據(jù)實測的絲杠在全行程的誤差曲線，在累積誤差達到一個脈沖當量處安裝一個擋塊。當工作臺移動時裝在床身上的微動開關與擋塊每接觸一次就通過螺距誤差補償控制電路，相應地進行脈沖補償。由于電氣補償必用微動開關、補償桿及擋塊等，受到補償點數(shù)量的限制，而且控制精度越高，所需的這些電控元件也就越多，控制電路就越復雜，這種方法只適用于系統(tǒng)誤差變化簡單或固定的場合。（2）軟件補償法利用軟件進行計算機輔助補償?shù)姆椒ㄏㄎ徽`差，可以包括螺距累積誤差補償、反向間隙誤差補償及熱變形誤差補償。還可以根據(jù)定期測定的定位誤差值，補償由于磨損等引起的精度損失。不過，當補償點數(shù)較大時，需要大量的表格數(shù)據(jù)來存儲補償參數(shù)，占用計算機系統(tǒng)資源較多，補償速度相對較慢，影響定位系統(tǒng)的整體定位速度。但隨著高速數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)及其廣泛應用于控制領域，這個問題已經(jīng)得到了很好的解決，而且軟件補償法靈活性大，補償量可以很方便地改變64。4.2 熱變形誤差分析補償對于高精度的數(shù)控機床，熱誤差是最大誤差源，占機床總誤差的40%-70%。對于本文研究的對象，博大數(shù)控機床屬于半閉環(huán)控制機床，因而精度較加工中心等高精度機床有不少差距，因而幾何誤差仍然是本文研究對象的主要誤差，熱誤差只占其中的一部分。引起機床變形的熱源可分為以下幾類：磨擦熱；切削熱；環(huán)境溫度、熱幅射。減小機床熱誤差，提高加工精度有許多不同的方法，總的來說，可將它們分為兩類，即誤差避免和誤差補償。實踐證明造成機床熱變形最主要原因為磨擦熱和切削熱，環(huán)境溫度、熱幅射在精加工中才有較大影響69。誤差防止主要有兩種方法：改進機床的材料和設計；控制機床主要部件的溫度變化。誤差補償是通過建立機床溫度場與熱誤差之間的數(shù)學模型，并用軟件預報誤差的大小，進行補償70。對于誤差防止，在一定條件下可以減小誤差，但受到材料和設計的影響，而且增加了結構的復雜性和制造成本。軟件補償?shù)姆椒ɑ谲浖皇苡布拗?，可以較好的補償熱誤差，但也有缺點，主要有，誤差模型通用性不強，它一般只適用