機床加工定位誤差原因分析

（沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

1 定位誤差機理分析

在機床的結構分析中，機床具有3 個平動軸，這3 個軸是機床重要的組成部件，同時也是機床誤差主要的來源。而機床的精度直接影響零件的精度，在機床的加工過程中，定位直接影響零件加工，所以定位精度也是衡量一個機床好與壞的指標之一。

定位精度的定義是機床中零件或者刀具實際位置與理論位置出現(xiàn)的差異，這個差異越小，表明機床的定位精度越高，越大表面機床的定位精度越差。

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件位置和速度為控制對象的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)。在數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)與機床控制本體之間的一個橋梁，是重要的聯(lián)系環(huán)節(jié)，同時也是數(shù)控機床系統(tǒng)的執(zhí)行機構。伺服是機床運動參數(shù)按照數(shù)控機床指令實現(xiàn)運動的系統(tǒng)，參數(shù)包含工藝中的速度，運動方向、加工起點等。

對于數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)需要具有精度高、穩(wěn)定性好、對指令相應速度非?？斓奶攸c，主要的控制方式有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等。

機床是由金屬組成的，金屬具有熱脹冷縮的特點，機床在對零件進行加工的過程中，由于刀具和零件之間的切削運動，齒輪之間的運動，電動功率的損失都會產生一定的熱量，這些熱量在機床本身的內部會對機床產生影響，這種熱誤差是非線性誤差，可以歸類到靜態(tài)誤差之中，圖1 為機床產生的熱量對機床的影響。

通過對機床熱變形機理進行分析，機床發(fā)生熱變形的主要原因是機床本身受到內部和外部的熱變化，從而使機床本身發(fā)生熱變形。如果機床一旦發(fā)生了熱變形，機床零部件之間的摩擦力會發(fā)生變化，摩擦加劇產生的熱量會更多，這樣就會使熱變形變得更加劇，所以為了在機床運行過程中，不會產生大量的溫度，通過提高機床零件的精度和將主機分離，傳動機構之間增加一些潤滑，降低機構之間的熱量[1]。

2 滾珠絲杠特性分析

在機床的結構分析中，滾珠絲杠是機床傳動系統(tǒng)組成部分中非常重要的部分。其精度直接影響機床自身的加工精度，同時在滾珠絲杠工作的過程中，如果外部熱源直接進入到滾珠絲杠內部，滾珠會產生熱脹冷縮的現(xiàn)象，滾珠絲杠運動的精度會發(fā)生改變，進給系統(tǒng)的進給量會受到影響，就會使得機床加工精度受到影響，零件加工完成之后尺寸可能有誤差[2]。

圖1 機床熱變形機理

由于滾珠絲杠的精度對機床的影響非常大，針對滾珠絲杠的溫度研究，需要利用實驗的方法進行解析，在實驗過程中需要對滾珠絲杠的熱特性進行分析，熱傳導是熱量傳遞中非常重要的指標。熱的傳遞方式有3 種，熱傳導、熱對流、熱輻射。滾珠絲杠熱特征分析中，熱量主要是通過熱傳導進行熱量傳遞的[3]，熱傳導符合傅里葉定律：

式中：q—熱流密度。

λ—導熱系數(shù)。

上述公式中的“-“標示的是熱在傳導過程中熱量的流動方向，熱量是向著溫度低的方向流動的。

在對滾珠絲杠系統(tǒng)進行分析的過程中，支持整個系統(tǒng)進行運動的軸承也是需要進行分析的。在軸承的熱系統(tǒng)分析中，軸承主要是一個熱量產生位置，是發(fā)出熱量的。原因是在滾珠絲杠進行運動的時候，軸承是進行旋轉的，軸承內部的滾珠和內外圈之間會因為摩擦的原因產生熱量，發(fā)出的熱量可以利用公式計算得出，具體的公式計算如下：

式中：Q—單位時間發(fā)熱量，單位kW。

n—軸承轉速，單位r/min。

M—軸承摩擦力矩，單位N×m。

在對軸承熱量的研究中，可以發(fā)現(xiàn)軸承的熱量和軸承的速度是成正比的。如果軸承旋轉的速度越快，軸承發(fā)出的熱量越多，同時這個發(fā)出的熱量和軸承的摩擦力也是成正比的。摩擦力越大，發(fā)熱越多，軸承的摩擦力是軸承滾動摩擦、滑動摩擦和潤滑劑摩擦的總和。

3 定位誤差建模與補償

機床定位誤差和機床本身的誤差在不同溫度下和環(huán)境中是不同的。機床的定位誤差有幾何誤差和熱誤差2 種，定位誤差是隨著機床溫度的變化增大而增大。所以在對機床定位誤差進行分析的時候，不能通過單一溫度進行分析，需要進行全溫度的測量模型。

對數(shù)控機床定位誤差進行測量的實驗中，將立式加工中心作為實驗對象，將加工中心標準坐標軸XY 軸分別增加一個激光干涉儀，通過干涉儀對加工中心3 個方向進行定位誤差測量數(shù)據(jù)的采集。在數(shù)據(jù)采集中，為了能夠保證數(shù)據(jù)真實有效，需要在每個方向上至少采集3 組以上數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)取平均值來最為最終的數(shù)據(jù)結果[4]。

在對機床的定位誤差的研究過程中，從實驗和最終的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，這個誤差是真實存在的，同時也是不能消除掉的。所以需要誤差補償技術來消除這個誤差。誤差補償技術是利用一些人為技術將機床的定位誤差抵消掉，這種手段來提高機床的加工精度的方法之一，同時也是最有效的方法。

誤差補償技術的原理是將加工零件或者機床的刀架進行相應的移動，使得刀具與工件之間的相對位置發(fā)生變化。通過這種方式將在定位過程中存在的實際偏差消除掉。誤差補償?shù)目刂品绞接? 種形式，分別為開環(huán)前饋補償、閉環(huán)前饋補償及半閉環(huán)前饋補償。開環(huán)前的控制方式是對機床進行模型分析，實際分析的結果將誤差補償位置增加到機床存在誤差的系統(tǒng)中，實現(xiàn)誤差的消除。這種誤差補償技術成本低，但是對誤差消除的效果不佳；閉環(huán)的控制方式是機床在對零件進行加工的時候，對實時誤差進行實時補償，這種控制方式的控制精度非常高，同時成本也非常高。

考慮到技術和成本等方面，一般的機床都是以半閉環(huán)的控制方式實現(xiàn)對機床定位誤差進行補償。半閉環(huán)的控制方式是將機床的參數(shù)和誤差作為模型的變量，在通過對誤差和變量之間建立分布規(guī)律，再將這些規(guī)律和檢測的數(shù)據(jù)作為誤差補償?shù)囊罁?jù)，具體的控制方式如圖2 所示。

圖2 半閉環(huán)前饋補償控制方式

4 結論

該文從機床定位誤差的產生來源點可以分析出影響機床定位誤差的根本原因，這個方法可以最終實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)控制方法的設計。再對滾珠絲杠在不同載荷作用下產生的熱量進行穩(wěn)態(tài)仿真，可以解決機床進給系統(tǒng)在加工零件時候產生的加工誤差。對機床全溫度狀態(tài)下進行分析，可以總結出機床誤差的變化規(guī)律，利用誤差補償?shù)姆椒▽C床誤差消除掉在今后的機床發(fā)展中，還需要設計人員不斷的研究機床補償技術，通過機床加工的實時補償完成對零件精度的保證。