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數控機床進給係統進給精度誤差（chà）分析（xī）及優化

2015-12-7 來源：數控機（jī）床市場網作（zuò）者（zhě）：中捷機床有限公司，洪壽福軒廣進張洋

摘要：數控機床為縮短（duǎn）機械加工時（shí）間，進給速度及加速度（dù）的不斷提高，對加工工件的精密性更加加強，對其進給係統（tǒng）傳動精度要求更加嚴格，直線光柵尺閉環控製傳動鏈結（jié）構，對優化進給精度（dù）誤差（chà）簡單可靠（kào）。

關鍵詞：定位誤差進給係統光柵尺絲杠支撐方式

在不斷增長的競爭壓力下，對現代化數控機床的（de）生產效率和加工精度的要求也（yě）不斷提高（gāo），同時機床的穩定性（各軸進給誤差）和使用壽命也相應變（biàn）得越來越重（chóng）要。這些變化直接導致了對（duì）機床進（jìn）給控製檢測要（yào）求的提高。機床總誤差中進給係統的定位誤差為舉足輕重。目前數控機床加工零件加（jiā）工精度要求（qiú）高時，本身機械裝配已無法滿足要求機床各進給軸。必須通過直線光柵尺直（zhí）接反饋進給（gěi）係（xì）統運（yùn）動（dòng）誤差閉環控製進而通過（guò）數控係統精細補償滿足前述高加（jiā）工精度要求。

1 進給傳動係統（tǒng）的結構

數控機床設計多種多樣,但進給係統結構大多相同（tóng）。滾珠絲杠（gàng）被用於實現伺服電機旋轉運動到滑板的直線運動的轉換。絲杠兩端支撐座內部的軸承承受進給（gěi）運動及加工的切（qiē）削軸向分力。伺（sì）服電機通過（guò）聯軸器與絲（sī）杠聯接（jiē）。而進給運動的位置值是通過直線光柵尺或電機編碼器加載（zǎi）到絲杠旋轉運動上的。單純使用（yòng）編碼（mǎ）器（qì）對滾珠絲杠進行位置控（kòng）製時腔製環檢測到（dào）的數（shù）據是（shì）電機（jī）轉子角度位置並非機床滑板的直線運動位（wèi）置。為（wéi）了從（cóng）電機轉子的角度（dù）位置精確推算出滑（huá）板的直線位置,驅動電機與滑板間一切傳動係統的性能必須已知重複（fù）性必須高。而（ér）直（zhí）線光柵尺控製包含了整（zhěng）個進給係統。進給係統的機械傳動誤差由光（guāng）柵尺測量（liàng）通（tōng）過數控係統進行補償減少進給運動定位誤差。

1.1 運動誤差

直接采用（yòng）旋轉編碼器十絲杠係統帶來的是絲杠螺距誤差。進給係統的間隙及螺距損失（shī）。由於滾珠絲杠的螺距用來直線測量的標準珠絲（sī）杠的螺距誤差直接影響測量結果。進（jìn）給係統內部間隙（xì）會導致1到10 μm左右背隙出現。絲杠運動一定時間後可達到伸長平衡狀態（tài）。這個（gè）過程中會導致絲杠定位產生非線性誤差。

誤差補償

數控係統由螺距補償和背隙補償（cháng）。補償值需通過（guò）激光（guāng）幹涉儀等檢測測量。

進給係統的受力變形（xíng）

在使用滾珠絲杠和編（biān）碼器來進行測量時,滑板加速移動產生的慣性力、切削力、導軌內（nèi）的摩擦力等機構變形力導致滑板軸向有位置偏移。經驗值,直徑40mm 滾珠絲杠,平均（jun1）軸向偏移100/200N/μm之間。

慣性力

機床滑板的移動（dòng）加速度越來越高移（yí）動慣性力對進給係統的變形也越來越大。

切削力

機床的切削力很容易達到幾千牛不僅作（zuò）用於進給係統還作用於工件幾刀具上。而光柵尺補償小部分的變形。所以一般在進行工件精加（jiā）工時應用較小的進給力進行加工。

摩擦力

根（gēn）據（jù）導軌形式不（bú）同摩擦（cā）力（lì）僅滾動導軌垂直方向力的滑（huá）動導軌垂直（zhí）方向力的口左右。另外進給係統中最大的摩擦力產生於絲（sī）杠螺母。原因是絲杠螺母在（zài）進給（gěi）運動中進（jìn）行複雜的滾動及滑動相結合運動。

1.2 進給係統誤（wù）差來源

絲杠發（fā）熱產生（shēng）定位誤差（chà）

在采用編碼器（qì）進行位置控製時由於（yú）滾珠（zhū）絲杠發熱而導致定位誤差是最大的誤差來源。

原因是，廠方麵在（zài）將電機的旋轉運動（dòng）轉為線性運動時絲杠要有高剛性，另一方麵絲杠起長度標尺作用。這種雙重功能使得機床設計時必須（xū）滿足這（zhè）兩方麵要求。而絲杠的剛（gāng）性取決於絲（sī）杠的兩端固定預緊。

滾（gǔn）珠（zhū）絲杠支撐軸承對定位精度影響

如圖a 絲杠單邊固定安裝時，絲杠可以按溫度變化由緊固端出（chū）發自由伸長。通常用（yòng）於短絲（sī）杠和垂（chuí）直進給絲杠，承載能力小軸向剛度低。

如圖b 絲（sī）杠單邊固定安（ān）裝，一端浮動時,絲杠可以按溫度變化由緊固端出發有微量軸向（xiàng）浮動，通常用（yòng）於絲杠較長情況。

如圖c 絲杠兩端固定安裝，並對絲杠施加預緊力時，絲杠的軸向剛性大大（dà）提高但對熱變形較為（wéi）敏感。

如圖d 由絲杠兩（liǎng）端雙重支撐固定安裝，並對絲杠施加預緊力時，使絲杠有較大的剛度，還可（kě）以把絲杠（gàng）熱變形釋放到推力軸承（chéng）預緊（jǐn）中。所以必須考慮推力軸（zhóu）承的承載能力（lì）。

2 結論

機床（chuáng）進給係統因（yīn）滾珠絲杠兩（liǎng）端支撐軸承及絲（sī）杠螺母（mǔ）發熱，在采用半（bàn）閉（bì）環控製時會導致極大的定位誤差。通（tōng）過絲杠和旋（xuán）轉編碼器定位的半閉環控製最大問題是滾珠絲杠的熱身長。這類伸（shēn）長過程常見時間常數為12小時，按加工程序的不同會產生 0.1mm 數量級的誤差。而這（zhè）類誤差在數（shù）控機（jī）床整體誤差中占主（zhǔ）導地位。

綜（zōng）上述分析，為了減少進給誤差滿足機（jī）床精（jīng）度及速度要求有必要（yào）采用直線光柵尺進行閉環控製。

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