數(shù)控機(jī)床4.doc

數(shù)控機(jī)床誤差分析與控制機(jī)床與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合使得數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代制造業(yè)中占主導(dǎo)地位，它的制造精度和控制精度直接決定了整個(gè)國(guó)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(jī)床都存在誤差現(xiàn)象。誤差現(xiàn)象的普遍存在，嚴(yán)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(guān)注1。許多研究人員對(duì)誤差的防止和補(bǔ)償進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，在誤差防止和補(bǔ)償領(lǐng)域也取得了一定的成果，而誤差補(bǔ)償也從早期的硬件式補(bǔ)償向軟件式補(bǔ)償發(fā)展，但誤差補(bǔ)償應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中還有很大難度，如何快速經(jīng)濟(jì)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(jī)床的不精確性是由以下原因造成的:(1)機(jī)床熱變形誤差；(2)機(jī)床零部件和結(jié)構(gòu)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(jī)床軸系的伺服誤差，數(shù)控插補(bǔ)算法誤差等等。由于在機(jī)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(jī)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(jī)床的原始制造、裝配缺陷等造成的機(jī)床誤差，是機(jī)床固有的誤差。影響機(jī)床的重復(fù)精度和運(yùn)動(dòng)精度，可以直接測(cè)量，但是測(cè)量結(jié)果包含其它原因造成的比如說熱誤差。熱誤差：機(jī)床溫度變化引起熱變形所造成的機(jī)床誤差。具有復(fù)雜非線性特性，致使測(cè)量困難。運(yùn)動(dòng)誤差：反應(yīng)了機(jī)床達(dá)到準(zhǔn)確位置的能力。運(yùn)動(dòng)誤差受機(jī)床溜板、齒輪、軸承、電機(jī)等的影響。幾何誤差和運(yùn)動(dòng)誤差是內(nèi)在聯(lián)系的。力誤差：機(jī)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(jī)床誤差，也稱為剛度誤差?？刂普`差：機(jī)床的控制系統(tǒng)性能所造成的機(jī)床誤差。檢測(cè)誤差：檢測(cè)系統(tǒng)的性能、測(cè)量精度等造成的機(jī)床誤差。隨機(jī)誤差：外界干擾造成的機(jī)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(shí)間變化，可以事先進(jìn)行測(cè)定，它包括機(jī)床的幾何精度和定位精度兩項(xiàng)內(nèi)容，反映的是機(jī)床的原始制造精度以及機(jī)床本身的重力引起的誤差等。準(zhǔn)靜態(tài)誤差：它也主要由機(jī)床本身的制造精度決定。之所以稱為準(zhǔn)靜態(tài)的，是指其指標(biāo)在給定的條件下，能夠在一定時(shí)期內(nèi)基本保持不變或變化緩慢。機(jī)床的準(zhǔn)靜態(tài)誤差對(duì)加工產(chǎn)品的尺寸精度占很大的比重。如機(jī)床熱誤差、工件熱誤差、刀具磨損(引起)誤差等。動(dòng)態(tài)誤差:是指機(jī)床在實(shí)際切削加工條件下加工的工件所達(dá)到的精度，它不僅與數(shù)控機(jī)床的原始制造精度相關(guān)，如加工時(shí)的夾具、刀具和工件本身的誤差，也與切削時(shí)的力、速度等相關(guān)。高頻誤差:也是一種動(dòng)態(tài)誤差，如震動(dòng)引起的誤差等。目前，大量的研究主要集中在機(jī)床精度建模技術(shù)、誤差檢測(cè)技術(shù)和精度補(bǔ)償技術(shù)等方面。數(shù)控機(jī)床精度建模技術(shù)是基于機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和誤差傳遞規(guī)律，建立機(jī)床部件誤差與刀具定位誤差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的正確建模是誤差分量識(shí)別和補(bǔ)償?shù)那疤釛l件5。2控制誤差分析數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)包括閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)，其插補(bǔ)多用逐點(diǎn)比較法，機(jī)床受脈沖驅(qū)動(dòng)，在不丟步的情況下，機(jī)床嚴(yán)格按照脈沖進(jìn)給，不存在滯后，因而不存在滯后誤差。但對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)多用時(shí)間分割法插補(bǔ)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(huì)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(bǔ)過程中采用不同的插補(bǔ)方法也會(huì)產(chǎn)生不同的誤差，因而同時(shí)分析插補(bǔ)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(jī)床伺服系統(tǒng)的動(dòng)特性將影響數(shù)控機(jī)床的輪廓加工精度。因?yàn)?，在一個(gè)伺服系統(tǒng)中，包含了電子、電機(jī)、液壓、機(jī)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(shí)際輸出滯后于輸人信號(hào)48， 產(chǎn)生跟隨誤差。低速運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)可以較好的跟隨輸入，高速運(yùn)動(dòng)則會(huì)帶來較大的輪廓誤差49。如果兩個(gè)軸的增益不同，則會(huì)造成兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，從而帶來輪廓誤差。兩軸增益相同時(shí)，兩軸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，但相同的滯后也會(huì)帶來合成運(yùn)動(dòng)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(duì)其調(diào)整來減小誤差，而不能從根本上消除，所以有必要對(duì)其分析，確定跟隨誤差帶來的輪廓誤差，對(duì)誤差進(jìn)行預(yù)判，并提出相應(yīng)的對(duì)策減小或消除輪廓誤差。在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，若每個(gè)進(jìn)給軸的位置環(huán)增益不一樣，則會(huì)產(chǎn)生輪廓誤差。輪廓誤差是指實(shí)際輪廓軌跡與理論輪廓軌跡之間的最短距離。2.2 插補(bǔ)原理誤差當(dāng)用數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，根據(jù)數(shù)控裝置所具有的插補(bǔ)功能的不同，可用直線或圓弧去逼近零件輪廓。當(dāng)用直線或圓弧逼近零件輪廓曲線時(shí)，逼近曲線與實(shí)際原始輪廓曲線之間的最大差值，稱為插補(bǔ)誤差。插補(bǔ)誤差是由插補(bǔ)原理帶來的，不同的插補(bǔ)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(gè)坐標(biāo)軸一步一步移動(dòng)的，刀具移動(dòng)的最小距離即為脈沖當(dāng)量或最小設(shè)定單位。從理論上講，刀具的軌跡只能是平行于坐標(biāo)軸的折線，而不可能是一條光滑的曲線。因此，刀具不可能嚴(yán)格按照所加工的曲線運(yùn)動(dòng)，而只能以折線來近似代替，這種代替的過程就是插補(bǔ)。在插補(bǔ)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(nèi)，這個(gè)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(diǎn)比較法插補(bǔ)誤差法，時(shí)間分割法插補(bǔ)誤差等方法。時(shí)間分割法的原理是：系統(tǒng)在每個(gè)周期內(nèi)根據(jù)進(jìn)給速度計(jì)算出各坐標(biāo)軸在下一插補(bǔ)周期內(nèi)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(jìn)給軸按給定的位移增量運(yùn)動(dòng)，可保證每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)均落在被插補(bǔ)的曲線。3.間隙誤差與垂直度誤差機(jī)床在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，磨損及震動(dòng)將帶來間隙和機(jī)床部件之間的錯(cuò)位。對(duì)于具有傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)床，磨損將會(huì)帶來齒輪和絲杠等傳動(dòng)部件之間的間隙，表現(xiàn)在機(jī)床加工過程中即是機(jī)床反向時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)，反向軸的運(yùn)動(dòng)被抵消，從而帶來零件的誤差。而部件的錯(cuò)位將破壞導(dǎo)軌之間相互之間垂直的精度。對(duì)于間隙和垂直度誤差，其補(bǔ)償只需要一個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)可以從實(shí)際中測(cè)量.3.1 絲杠間隙誤差分析與補(bǔ)償絲杠預(yù)緊力不夠或磨損導(dǎo)致絲杠螺母副出現(xiàn)間隙。在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)鏈中，齒輪傳動(dòng)、絲杠螺母副等均存在反向間隙，對(duì)于采用開環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。反向間隙的存在會(huì)影響到機(jī)床的定位精度和重復(fù)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(bǔ)償功能，并且隨著數(shù)控機(jī)床使用時(shí)間的增長(zhǎng)，反向間隙還會(huì)因磨損造成的運(yùn)動(dòng)副間隙的增大而逐漸增加，因此需定期對(duì)數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的反向間隙進(jìn)行測(cè)定和補(bǔ)償54。其補(bǔ)償方法有直線間隙補(bǔ)償，圓弧間隙補(bǔ)償?shù)?。如用?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，不僅方法簡(jiǎn)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(jī)床垂直度誤差分析與補(bǔ)償由于機(jī)床本身的安裝不當(dāng)或長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)等內(nèi)力和外力的作用，導(dǎo)軌的垂直度誤差逐漸的超出設(shè)計(jì)允許的范圍。垂直度誤差會(huì)帶來輪廓誤差和位置誤差。垂直度誤差包括線對(duì)面的垂直度誤差與線對(duì)線的垂直度誤差，數(shù)控機(jī)床在加工過程中，各軸的垂直度誤差都經(jīng)過測(cè)試，滿足機(jī)床的設(shè)計(jì)精度，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，垂直度誤差超過設(shè)計(jì)精度時(shí)，就需要進(jìn)行修正，垂直度超差的原因主要是各配合部分的移動(dòng)，以三軸龍門式銑床為例，龍門經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的震動(dòng)與受力，經(jīng)常會(huì)發(fā)生偏移，這時(shí)就會(huì)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(gè)方向，即xy 平面內(nèi)，可以認(rèn)為是線對(duì)線的垂直度誤差，本文主要討論線對(duì)線的垂直度誤差。垂直度誤差影響孔位精度，在導(dǎo)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(nèi)的導(dǎo)軌直線度誤差和此平面內(nèi)縱橫兩個(gè)方向?qū)к壷g垂直度誤差。加工大孔距時(shí)，尤其是孔距接近工作臺(tái)極限行程時(shí)，垂直度誤差對(duì)孔位精度的影響，遠(yuǎn)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(duì)直線輪廓的垂直度誤差，因?yàn)榇嬖诖怪倍日`差的直線輪廓仍為直線，因而直線輪廓的補(bǔ)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(diǎn)的方法。而對(duì)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(shè)實(shí)際加工出的圓弧的方程滿足理論圓的方程，那么實(shí)際的圓弧輪廓可以根據(jù)點(diǎn)的變換，將理論上的圓弧輪廓用方程表達(dá)出來，編程時(shí)可以根據(jù)理論圓弧輪廓進(jìn)行編程，調(diào)整垂直度誤差的值即可以實(shí)現(xiàn)圓弧垂直度誤差的補(bǔ)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(zhǎng)期運(yùn)行中逐漸的磨損引起，而熱誤差是由機(jī)床的受熱膨脹帶來的，受熱膨脹包括床身和絲杠的熱伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)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(huì)使絲杠向同一個(gè)方向伸長(zhǎng)，如果固定端與機(jī)床原點(diǎn)重合，那么床身的熱伸長(zhǎng)將不會(huì)影響精度，熱誤差主要由絲杠的熱伸長(zhǎng)決定。因而熱誤差與機(jī)床結(jié)構(gòu)有關(guān)，絲杠螺距誤差對(duì)所有的機(jī)床性質(zhì)都是相同的。4.1 螺距誤差分析與補(bǔ)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(jìn)給系統(tǒng)傳運(yùn)鏈的末端,它的傳動(dòng)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(jī)床使用過程中，定位精度進(jìn)一步受到負(fù)載變化、振動(dòng)、熱變形、機(jī)床導(dǎo)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(chǔ)型螺距誤差兩種。等間距螺距誤差即是每?jī)蓚€(gè)螺距之間的螺距比理論螺距增加或減小一個(gè)相同的值，存儲(chǔ)型螺距誤主要由長(zhǎng)時(shí)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(bǔ)償對(duì)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(fù)定位精度螺距誤差補(bǔ)償原理包括電氣補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。（1）電氣補(bǔ)償法在控制系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的螺距補(bǔ)償電路，以達(dá)到誤差補(bǔ)償?shù)哪康摹＝?jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床通常采用此方法進(jìn)行螺距累積誤差補(bǔ)償，來提高定位精度。絲杠螺距累積誤差補(bǔ)償采用定點(diǎn)的脈沖補(bǔ)償方法修正螺距累積誤差。根據(jù)實(shí)測(cè)的絲杠在全行程的誤差曲線，在累積誤差達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量處安裝一個(gè)擋塊。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)裝在床身上的微動(dòng)開關(guān)與擋塊每接觸一次就通過螺距誤差補(bǔ)償控制電路，相應(yīng)地進(jìn)行脈沖補(bǔ)償。由于電氣補(bǔ)償必用微動(dòng)開關(guān)、補(bǔ)償桿及擋塊等，受到補(bǔ)償點(diǎn)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(fù)雜，這種方法只適用于系統(tǒng)誤差變化簡(jiǎn)單或固定的場(chǎng)合。（2）軟件補(bǔ)償法利用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏㄎ徽`差，可以包括螺距累積誤差補(bǔ)償、反向間隙誤差補(bǔ)償及熱變形誤差補(bǔ)償。還可以根據(jù)定期測(cè)定的定位誤差值，補(bǔ)償由于磨損等引起的精度損失。不過，當(dāng)補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)較大時(shí)，需要大量的表格數(shù)據(jù)來存儲(chǔ)補(bǔ)償參數(shù)，占用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源較多，補(bǔ)償速度相對(duì)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(hào)處理器的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，這個(gè)問題已經(jīng)得到了很好的解決，而且軟件補(bǔ)償法靈活性大，補(bǔ)償量可以很方便地改變64。4.2 熱變形誤差分析補(bǔ)償對(duì)于高精度的數(shù)控機(jī)床，熱誤差是最大誤差源，占機(jī)床總誤差的40%-70%。對(duì)于本文研究的對(duì)象，博大數(shù)控機(jī)床屬于半閉環(huán)控制機(jī)床，因而精度較加工中心等高精度機(jī)床有不少差距，因而幾何誤差仍然是本文研究對(duì)象的主要誤差，熱誤差只占其中的一部分。引起機(jī)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(jī)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(bǔ)償。實(shí)踐證明造成機(jī)床熱變形最主要原因?yàn)槟ゲ翢岷颓邢鳠幔h(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(jìn)機(jī)床的材料和設(shè)計(jì)；控制機(jī)床主要部件的溫度變化。誤差補(bǔ)償是通過建立機(jī)床溫度場(chǎng)與熱誤差之間的數(shù)學(xué)模型，并用軟件預(yù)報(bào)誤差的大小，進(jìn)行補(bǔ)償70。對(duì)于誤差防止，在一定條件下可以減小誤差，但受到材料和設(shè)計(jì)的影響，而且增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造成本。軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ谲浖?，不受硬件限制，可以較好的補(bǔ)償熱誤差，但也有缺點(diǎn)，主要有，誤差模型通用性不強(qiáng)，它一般只適用