數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

于鐸 張鵬

摘要：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同主運(yùn)動(dòng)一道實(shí)現(xiàn)工件的成形。隨著切削速度的提高對進(jìn)給軸的速度、加速度以及精度提出越來越高的要求。因此，進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量對于數(shù)控機(jī)床十分重要。在本文中作者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)和分析了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸設(shè)計(jì)中的功能參數(shù)、檢驗(yàn)指標(biāo)和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;進(jìn)給軸;參數(shù)指標(biāo);發(fā)展趨勢

1? 進(jìn)給軸的功能參數(shù)及指標(biāo)

①快移速度Vq（米/分）：指機(jī)床的刀架或工作臺最大移動(dòng)速度。目前一般在10～20米/分，高一些的為40～60米/分，個(gè)別的已達(dá)到80～100米/分以上。該速度用于完成空行程，可單軸或多軸聯(lián)動(dòng)以縮短輔助時(shí)間。對運(yùn)動(dòng)過程的軌跡不感興趣，但看重運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)的精度，如定位精度檢驗(yàn)。

②加速度a（米/秒2）：指運(yùn)動(dòng)部件由靜止到加速至最大移動(dòng)速度Vq過程中速度的增量。當(dāng)Vq發(fā)展到20米/分以上時(shí)，人們認(rèn)識到如果只提高速度Vq，而加速度a（米/秒2）不變，就不能取得明顯效果[1]。上世紀(jì)80年代加速度a為0.3g，目前較高水平是1～1.5g（g=9.8米/秒2）。

③進(jìn)給速度F（米/分）：刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡以速度F成型工件的形狀，即運(yùn)動(dòng)精度直接影響被加工件的“輪廓精度”。因?yàn)閮A斜的直線和曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡通常是由兩或三個(gè)坐標(biāo)方向微小的直線段合成（插補(bǔ)）的，故工件表面的輪廓精度不僅取決于進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)精度，還與進(jìn)給速度F的快慢、插補(bǔ)的采樣時(shí)間t、加速度a、以及數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)的增益有關(guān)。

④軸向最大進(jìn)給力P（牛）：為克服切削抗力輸出的最大軸向力。它不僅是設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的重要依據(jù)，也是選定主軸定位軸承的依據(jù)。

2? 檢驗(yàn)指標(biāo)

2.1 位置精度[2]：由三個(gè)分項(xiàng)組成

重復(fù)定位精度R：性質(zhì)屬于偶然誤差，特點(diǎn)是誤差每次出現(xiàn)沒有一定的規(guī)則，誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律服從正態(tài)分布。取R=6Smax（Smax—機(jī)床檢驗(yàn)時(shí)目標(biāo)點(diǎn)中最大的標(biāo)準(zhǔn)偏差）。主要由各處的間隙、摩擦力和彈性變形構(gòu)成。

反向偏差B：主要產(chǎn)生在絲杠/螺母及其支承處。伴隨部件運(yùn)動(dòng)方向的改變（負(fù)載力的方向也隨之改變）而出現(xiàn)的正、反偏移的差值（間隙或變形）。取B=Bmax（Bmax—目標(biāo)點(diǎn)中最大的正反向偏差值）。

定位精度A：具體計(jì)算方法可以認(rèn)為：A≈R+B+ΔL。

ΔL—進(jìn)給絲杠的螺距累積誤差，因?yàn)樗且粋€(gè)常量，可借助計(jì)算機(jī)通過控制系統(tǒng)（CNC）進(jìn)行修正。歐美國家1991年前數(shù)控車床X軸定位精度為15～20μm，重復(fù)定位精度±5μm;采用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù)后，定位精度達(dá)到±5μm，重復(fù)定位精度±1.0～2.0μm[3]。這項(xiàng)技術(shù)不是簡單地在測出誤差數(shù)據(jù)后，再利用數(shù)控系統(tǒng)的螺補(bǔ)功能手動(dòng)補(bǔ)償（91年前曾采用次法）;這是由于測量和補(bǔ)償點(diǎn)有限，在補(bǔ)償過程中產(chǎn)生誤差的機(jī)會較多等缺點(diǎn)，因而對提高機(jī)床定位精度的作用有限。

2.2 單脈沖精度Δp

單脈沖，即機(jī)床的最小編程單位。普通級0.001mm，精密級0.0001mm?；瑒?dòng)導(dǎo)軌機(jī)床因其摩擦系數(shù)大且存在動(dòng)、靜差別，當(dāng)發(fā)出一個(gè)脈沖當(dāng)量指令時(shí)，常不產(chǎn)生移動(dòng)或移動(dòng)量不足，有時(shí)累計(jì)一定數(shù)量脈沖后突然前沖。單脈沖精度描述機(jī)床對一個(gè)脈沖當(dāng)量的響應(yīng)程度：

Δp=（單脈沖-實(shí)際移動(dòng)量）/單脈沖

顯然，單脈沖精度Δp對工件的輪廓精度而言，意義重大。滾動(dòng)導(dǎo)軌則情況有了極大改進(jìn)，例日本大隈產(chǎn)LR系列，單脈沖為0.1μm。

Δp<5%，而且累積誤差不大于0.13μm[4]。

2.3 輪廓精度G18[2]：用球柄儀檢測。最大切削直徑<ф500的機(jī)床，試件檢測半徑R<100mm，允差0.01mm。還可以加選切削法（P5）。

2.4 尺寸精度

工件加工精度包括三個(gè)部分，即形狀和位置精度，表面粗糙度，尺寸精度。在加工過程中，唯尺寸精度變動(dòng)是最大的，其余兩者相對穩(wěn)定。評價(jià)機(jī)床是否具備這一精度能力，是按照車床工作精度的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行的[5]。影響尺寸精度的因素主要是進(jìn)給軸的位置精度、刀架的轉(zhuǎn)位精度、進(jìn)給軸的熱伸長及主軸等各部位的熱變形。

3? 進(jìn)給軸控制方式及發(fā)展趨勢

3.1 滾珠絲杠與直線電機(jī)

1958年滾珠絲杠首次出現(xiàn)在美國K&T公司生產(chǎn)的世界第一臺加工中心上，此后伴隨著數(shù)控機(jī)床不斷發(fā)展成為了一代王者，至今仍歷久不衰。但是隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，這種傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式已日顯遜色，主要表現(xiàn)在剛度低、慣性大，非線性誤差嚴(yán)重，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、傳動(dòng)效率低等。

1993年德國企業(yè)在漢諾威國際機(jī)床博覽會上展出了世界上第一臺帶有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺的高速加工中心，采用德國Indramat公司開發(fā)成功的感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)（快移速度Vq=60米/分）。幾乎與此同時(shí)，美國一家公司在HVM-800型高速加工中心上采用了美國Anorad公司開發(fā)的永磁式直線電動(dòng)機(jī)，工作臺的最大進(jìn)給速度達(dá)到72.6米/分，一下子轟動(dòng)了國際機(jī)床界和學(xué)術(shù)界[6]。直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：

①速度高80～120米/分，加速度2g～10g。

②定位精度高0.1～0.01μm，采用前饋控制的直線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可較滾珠絲杠減少跟蹤誤差200倍，因而在高速切削加工時(shí)獲得高精度?？梢灶A(yù)見的是，在未來直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)將是高精度加工中心的標(biāo)準(zhǔn)選擇。

③剛度高，是滾珠絲杠的2～3倍，它是獲得精確刀具軌跡和良好表面質(zhì)量的保證。

④噪聲低、行程不受限制可以做的很大。

當(dāng)然直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)并不是完美無缺，在現(xiàn)有技術(shù)仍存在著較大的局限性：直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚不成熟、且價(jià)貴，遠(yuǎn)不如滾珠絲杠便宜;加工硬金屬時(shí)存在粉塵和磁場防護(hù)等問題，是否使用則根據(jù)設(shè)備價(jià)格、精度、使用環(huán)境的條件來選擇。

3.2 半閉環(huán)與閉環(huán)

這兩者，就其控制的本質(zhì)而言都屬于同樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)，差別只是檢測裝置的安裝位置不同。前者反饋的信號從伺服電機(jī)或絲杠的前端發(fā)出，一般不易產(chǎn)生振蕩，應(yīng)用較為普遍;而后者則從執(zhí)行部件發(fā)出。在滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)時(shí)，因絲杠是彈性元件，運(yùn)動(dòng)部件是一質(zhì)量，故而構(gòu)成振蕩環(huán)節(jié);所以，閉環(huán)系統(tǒng)更容易產(chǎn)生振蕩。直線電機(jī)是“零傳動(dòng)”的全閉環(huán)系統(tǒng)，沒有振蕩環(huán)節(jié)，故穩(wěn)定性好、精度高。

絲杠驅(qū)動(dòng)的全閉環(huán)系統(tǒng)適于剛性較好的中小型車床，一般效果較好。對于長床身的車床，因絲杠長、剛度低容易產(chǎn)生振蕩，故多采用混合控制（半閉環(huán)控制很快將電機(jī)軸定位在指令位置上，而由閉環(huán)控制完成精定位）。

使全閉環(huán)系統(tǒng)降低精度的因素如下：

①反饋元件與主軸中心（刀尖）不在一條直線，床身和滑板導(dǎo)軌的不直度都會以阿貝誤差的形式影響定位精度。

②間隙和失動(dòng)量一般應(yīng)控制在4μm以內(nèi)。

③長的光柵尺安裝后，一定要經(jīng)自校準(zhǔn)后才使用。

4? 結(jié)束語

通過上述理論說明，使我們對機(jī)床的進(jìn)給軸的概念、特點(diǎn)、發(fā)展、檢驗(yàn)方法及發(fā)展趨勢有了一定認(rèn)識，相信能為機(jī)床設(shè)計(jì)人員更好的設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給軸提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]艾興.高速切削技術(shù)和刀具材料現(xiàn)狀與展望[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2001（3）.

[2]GB/T16462—1996，數(shù)控臥式車床精度檢驗(yàn)[S].國家技術(shù)監(jiān)督局.

[3]運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高機(jī)床的精度[J].制造技術(shù)與機(jī)床，95，8.

[4]日本大隈產(chǎn)LR系列樣本.巴黎歐展會.1991.

[5]車床工作精度的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)VDI/DGQ3442.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化（總第107期），1977，3.

[6]張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.