數(shù)控車床縱向定位誤差控制的研究

摘 要：數(shù)控機(jī)床定位誤差的控制，能有效提高機(jī)床的性能，針對(duì)CK6180半閉環(huán)控制數(shù)控車床縱向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，分析定位誤差產(chǎn)生的原因，計(jì)算各影響因素的誤差范圍，提出控制定位誤差的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；定位誤差；誤差控制

中圖分類號(hào)：TG519.1

數(shù)控機(jī)床越來越普及，數(shù)控機(jī)床的定位精度的提高成為機(jī)床制造企業(yè)的亟待解決的問題，某機(jī)床廠生產(chǎn)的機(jī)床定位精度為0.03mm，定位精度的保持性差，逐漸滿足不了市場(chǎng)的需要，本文針對(duì)該廠生產(chǎn)的半閉環(huán)控制的CK6180數(shù)控車床，分析縱向定位誤差產(chǎn)生的原因及各影響因素的誤差范圍。

該機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用聯(lián)軸器連接交流伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，絲杠一端固定支撐、一端游動(dòng)，無(wú)軸向預(yù)緊力，傳動(dòng)示意圖如圖1所示。

該進(jìn)給系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制，如圖2所示，檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)角位移，整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的位移誤差主要是由控制誤差、檢測(cè)誤差、反向間隙誤差、絲杠螺距誤差和軸向竄動(dòng)誤差、熱效應(yīng)造成的誤差、力誤差和隨機(jī)性誤差組成[1]：

該機(jī)床進(jìn)給伺服電機(jī)角位移檢測(cè)采用2500線增量編碼器，4倍信號(hào)增益，考慮數(shù)控系統(tǒng)控制及檢測(cè)信號(hào)漂移等，誤差為1～2脈沖，即該部分轉(zhuǎn)角誤差θ1為0.036～0.072°，引起刀架位移誤差為1～2μm；絲杠、伺服電動(dòng)機(jī)同軸度轉(zhuǎn)角誤差[2] 將引起工作臺(tái)的位移出現(xiàn)類似于正弦波的周期性偏差，并導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)在傳動(dòng)過程中的穩(wěn)定性變差，式中e為偏心距，ω為絲杠轉(zhuǎn)速，φ2為安裝偏距初相，由θ2引起絲杠周期性位移誤差的幅值為 ，同時(shí)考慮絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)軸0.02同軸度誤差，其值小于0.5μm，同軸度誤差對(duì)位移誤差影響較小，但對(duì)軸承的使用壽命及發(fā)熱量均有影響，制造、裝配時(shí)需要控制；滾珠絲杠使用雙螺母墊片調(diào)整間隙時(shí)，預(yù)加載荷一般是1/3的平均工作載荷或?yàn)榻z杠7%的動(dòng)態(tài)負(fù)載能力Cam值，考慮絲杠熱變形等因素，可取ΔJ≤1μm。參考文獻(xiàn)[3]中通過對(duì)機(jī)床絲杠受力分析及計(jì)算，結(jié)合該廠機(jī)床數(shù)據(jù)，絲杠螺母對(duì)絲杠的力及力矩產(chǎn)生的力變形ΔF≤0.3μm。綜合以上幾項(xiàng)內(nèi)容，對(duì)位移誤差總值小于3.8μm。

絲杠螺距導(dǎo)程誤差[4]

式中： a+bt是線性誤差部分， 是周期性誤差部分，Ai、ω、 分別為第i項(xiàng)誤差的幅值、角頻和初相，φ（t）為隨機(jī)性誤差部分；線性誤差部分在絲杠驗(yàn)收時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到截距值和斜率值，在數(shù)控機(jī)床上通過數(shù)控系統(tǒng)線性補(bǔ)償，可基本消除該部分誤差。周期性誤差的幅值A(chǔ)i與絲杠的制造精度有關(guān)，該機(jī)床使用IT5精度等級(jí)絲杠，其V2πP=8μm，即在[0，2π]內(nèi)，絲杠螺距周期誤差為： 。文獻(xiàn)[1]中，通過對(duì)絲杠導(dǎo)程誤差的實(shí)測(cè)，其周期性誤差部分的初相 在各絲杠回轉(zhuǎn)周期內(nèi)基本不變，與絲杠制造過程中定位、安裝因素有關(guān)，周期性誤差對(duì)絲杠定位精度不產(chǎn)生累計(jì)誤差，所以該部分誤差可簡(jiǎn)化為 ， 是絲杠螺距周期性誤差的初相，是絲杠生產(chǎn)后固有的特性。

軸向串動(dòng)誤差 ，其中Zmax為最大軸向串動(dòng)量，該機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為Zmax≤0.01mm，串動(dòng)誤差也呈現(xiàn)周期性變化，其幅值為Zmax/2。

絲杠熱誤差經(jīng)驗(yàn)公式Δδ=ρΔTL，式中，ρ為絲杠材料熱膨脹系數(shù)為12×10-6/℃，ΔT為溫升，L為絲杠的有效長(zhǎng)度，一米長(zhǎng)絲杠溫升1℃位移誤差為12μm。

綜合以上分析，滾珠絲杠位移誤差：

上式中，絲杠軸向串動(dòng)周期性變化部分的初相角 與絲杠安裝位置有關(guān)，其幅值與絲杠螺距周期性誤差的幅值接近，安裝絲杠時(shí)，若能控制 與 之間的關(guān)系，使其相位角相差180°，則能有效控制這兩部分周期性誤差的幅值，使得最大位移誤差為2μm。

根據(jù)式（3），控制絲杠位移誤差，能夠提升主要途徑有：（1）數(shù)控系統(tǒng)對(duì)絲杠線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，目前大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都具備線性補(bǔ)償功能，補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵要測(cè)算出絲杠線性誤差的截距和斜率值，該值以及絲杠周期性誤差的初相角 ，可作為絲杠驗(yàn)收時(shí)的參數(shù)提供給絲杠使用廠家，減少機(jī)床制造廠的檢測(cè)設(shè)備，提高裝配效率和定位精度；（2）絲杠溫升的控制，絲杠溫升的補(bǔ)償目前尚無(wú)成熟的理論，目前主要通過提高絲杠的安裝精度、良好的潤(rùn)滑等，減小絲杠運(yùn)行時(shí)的溫升；（3）絲杠裝配時(shí)的調(diào)整，可以抑制絲杠螺距和軸向串動(dòng)周期性誤差的累加，提高絲杠軸線與機(jī)床導(dǎo)軌的平行度，減小絲杠螺母的運(yùn)行阻力，控制溫升、提高機(jī)床精度保持性?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，提高半閉環(huán)控制的機(jī)床定位精度，其核心是滾珠絲杠的裝配工藝及裝配精度的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]張春堂.數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差產(chǎn)生機(jī)理分析與補(bǔ)償[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]趙飛.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)裝配誤差建模及特征分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013：703-708.

[3]王淑坤.滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)定位精度分析[D]，大連理工大學(xué)，2006.

[4]秦爭(zhēng)鳴.滾珠絲桿副的頻譜分析與在線驗(yàn)收[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)，1995：109-116.

[5]王植.滾珠絲杠導(dǎo)程誤差分析與計(jì)算機(jī)輔助診斷研究[D].南京理工大學(xué)，2004.

作者簡(jiǎn)介：周小超（1982-），男，安徽無(wú)為人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械工程技術(shù)。

作者單位：皖西學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽六安 237012

基金項(xiàng)目：六安市產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：No.2012LWA006），皖西學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：No.2012JY04）。