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數控機床進給係統（tǒng）進給精度（dù）誤差分析（xī）及優（yōu）化

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

摘要：數控機床為縮短機械加工時間，進給速度及加速度的不斷提高，對加工工件的精密性更加加強，對其進給係統傳動精度要求更（gèng）加嚴格，直線光柵尺閉環（huán）控製傳動鏈（liàn）結構，對優化進給精度誤差簡單可靠。

關鍵詞：定位誤差進給係統光柵尺（chǐ）絲杠（gàng）支（zhī）撐（chēng）方式

在不斷增長的競爭壓力下，對現代化數控機床的生產效率和加工（gōng）精度的要求也不斷提高，同時機床的穩定性（各軸進給誤差）和使用壽命也相應變得越來越重要。這些變化直接導（dǎo）致了對機床進（jìn）給控製檢（jiǎn）測要求的提高。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工精度要求高時，本身機械裝配已無法滿足要求機床各（gè）進給軸。必（bì）須通過直線（xiàn）光柵尺直接反饋進給係統運動誤差閉環（huán）控製進而通過數控係統精細補償滿足前述高加工精度要求。

1 進給傳動係統的結構

數控機床設（shè）計多種多樣,但進給係統結構大多（duō）相同。滾珠絲杠被用於實現伺服電機旋轉運動到滑板的直線運動的轉（zhuǎn）換。絲杠兩端支撐座內部的軸承承受進給運動及加工的切削軸向分（fèn）力。伺服電（diàn）機通過聯軸器與絲杠聯接。而進給運動的位（wèi）置（zhì）值是通過（guò）直線光柵尺或電機編（biān）碼（mǎ）器加載到絲杠旋轉運動上的。單純使用編碼器對（duì）滾珠絲（sī）杠進行位置（zhì）控製時腔（qiāng）製環檢（jiǎn）測（cè）到的數據是電機轉子角度位置並非機床滑板的直線運動位置。為了從電機轉子（zǐ）的角度位置精確推算出滑（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性必須高（gāo）。而直線光柵尺控製包含了整個進給係統。進（jìn）給係統的機（jī）械傳動（dòng）誤差（chà）由光柵尺測量通過數控係統進（jìn）行補償減少進（jìn）給運（yùn）動定位誤差。

1.1 運動誤差

直接（jiē）采用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（sǔn）失。由於滾珠絲杠的（de）螺（luó）距用來（lái）直線測量（liàng）的標（biāo）準珠絲杠的螺距誤（wù）差直接影響測量結果。進給係統內部間隙會導致1到10 μm左右背隙出（chū）現。絲杠運動一定時間後可達到伸長平衡狀態。這個過程中會導致（zhì）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（bǔ）償。補償值需通過激光幹涉儀等檢測測量。

進（jìn）給係統的受力變形（xíng）

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

慣（guàn）性力

機床滑板的移動加速度越來越高移動慣性力對進給係（xì）統的變形也越來越大。

切削力

機床（chuáng）的切削（xuē）力很容易（yì）達到幾千牛不僅作用於進給係統還作用於（yú）工（gōng）件幾刀具上。而光柵尺補償小部分的變（biàn）形。所以一般在進行工件精加工時應用較小（xiǎo）的進給力（lì）進行加工。

摩擦力

根據導軌形式不（bú）同摩擦力僅（jǐn）滾動導（dǎo）軌垂直方（fāng）向力的滑動導軌垂（chuí）直方向力的（de）口左右。另外進給係統中最大的（de）摩擦力產生於絲杠螺母。原因是絲杠螺母在進給運動中進行複雜的滾動及滑動相結合運動。

1.2 進給係統誤差來源

絲杠發熱產生定位誤差

在采用（yòng）編碼器進（jìn）行位置控製時由於滾珠（zhū）絲杠發熱而導致定位誤（wù）差是最大的誤差（chà）來源。

原因是，廠方麵在將電機的旋轉運動（dòng）轉為線性運動時絲杠要有高剛性，另一（yī）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滿足這兩方（fāng）麵要（yào）求。而絲杠的（de）剛性取決於絲（sī）杠的兩端固定預緊。

滾（gǔn）珠絲杠支撐軸承對定位精度影響

如（rú）圖（tú）a 絲杠（gàng）單邊固定安裝時，絲（sī）杠可以按溫度變化由緊固端出發自由伸長。通常用於短絲杠和（hé）垂直進給絲杠，承載能力小軸（zhóu）向剛度低。

如圖b 絲杠單邊固定安裝，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浮動，通（tōng）常用於絲（sī）杠較長情（qíng）況。

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

如圖d 由絲（sī）杠兩端雙重支撐（chēng）固定（dìng）安裝，並對絲杠施（shī）加預緊力時，使絲（sī）杠有較大的（de）剛度，還（hái）可以把絲杠熱變形釋放到推力軸承預緊中。所以必須考慮（lǜ）推力軸承的承載能力。

2 結論

機床進（jìn）給係統因滾珠絲杠兩端支撐軸承及絲杠螺母發熱，在采（cǎi）用半閉環控製時會導致極（jí）大的定位誤差（chà）。通過絲杠和旋轉編碼器定（dìng）位的半閉環控製最大問題是滾珠絲杠的（de）熱身長。這類伸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。而這類誤差在數控機（jī）床整（zhěng）體誤差中占主導地位。

綜上述分析，為了減少進（jìn）給誤差滿足機床精度及速度要求有必要采（cǎi）用直線光柵尺（chǐ）進（jìn）行閉環控製。

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