数控机床4.doc

数控机床误差分析与控制机床与数控技术的结合使得数控机床在现代制造业中占主导地位，它的制造精度和控制精度直接决定了整个国家制造业的水平，由于制造、安装、磨损、变形等原因，任何数控机床都存在误差现象。误差现象的普遍存在，严重影响着制造精度和控制精度，误差问题一直受到人们的关注1。许多研究人员对误差的防止和补偿进行了长期的研究，在误差防止和补偿领域也取得了一定的成果，而误差补偿也从早期的硬件式补偿向软件式补偿发展，但误差补偿应用到实际生产中还有很大难度，如何快速经济有效的解决误差问题已是刻不容缓的事情。1误差及其分类一般地说，数控机床的不精确性是由以下原因造成的:(1)机床热变形误差；(2)机床零部件和结构的几何误差；(3)切削力引起的误差；(4)刀具磨损误差；(5)其它误差源，如机床轴系的伺服误差，数控插补算法误差等等。由于在机床的各种误差源中，热误差以及几何误差占据着绝大部分2-4。在数控机床加工过程中，各种各样的误差源作用在工件成形过程中，使加工过程偏离给定轨迹，造成了加工误差。误差可以按照以下几种方式来分类。（1）根据误差产生的根源可分为：几何误差：机床的原始制造、装配缺陷等造成的机床误差，是机床固有的误差。影响机床的重复精度和运动精度，可以直接测量，但是测量结果包含其它原因造成的比如说热误差。热误差：机床温度变化引起热变形所造成的机床误差。具有复杂非线性特性，致使测量困难。运动误差：反应了机床达到准确位置的能力。运动误差受机床溜板、齿轮、轴承、电机等的影响。几何误差和运动误差是内在联系的。力误差：机床受力(包括切削力、工件和夹具重力、装卡力等)引起变形所造成的机床误差，也称为刚度误差。控制误差：机床的控制系统性能所造成的机床误差。检测误差：检测系统的性能、测量精度等造成的机床误差。随机误差：外界干扰造成的机床误差。（2）根据误差产生的条件可分为：静态误差：不随时间变化，可以事先进行测定，它包括机床的几何精度和定位精度两项内容，反映的是机床的原始制造精度以及机床本身的重力引起的误差等。准静态误差：它也主要由机床本身的制造精度决定。之所以称为准静态的，是指其指标在给定的条件下，能够在一定时期内基本保持不变或变化缓慢。机床的准静态误差对加工产品的尺寸精度占很大的比重。如机床热误差、工件热误差、刀具磨损(引起)误差等。动态误差:是指机床在实际切削加工条件下加工的工件所达到的精度，它不仅与数控机床的原始制造精度相关，如加工时的夹具、刀具和工件本身的误差，也与切削时的力、速度等相关。高频误差:也是一种动态误差，如震动引起的误差等。目前，大量的研究主要集中在机床精度建模技术、误差检测技术和精度补偿技术等方面。数控机床精度建模技术是基于机床运动学和误差传递规律，建立机床部件误差与刀具定位误差之间的数学关系。机床运动误差的正确建模是误差分量识别和补偿的前提条件5。2控制误差分析数控机床控制系统包括闭环和开环系统，对于开环系统，其插补多用逐点比较法，机床受脉冲驱动，在不丢步的情况下，机床严格按照脉冲进给，不存在滞后，因而不存在滞后误差。但对于闭环系统，控制系统多用时间分割法插补原理，是基于采样反馈的原理来跟随输入，无法避免滞后带来的误差，滞后会带来轮廓的误差。本章将分析滞后误差及其带来的轮廓误差。插补过程中采用不同的插补方法也会产生不同的误差，因而同时分析插补过程中各种原理带来的误差，并给出减小误差的方案。2.1 轮廓跟随误差分析数控机床伺服系统的动特性将影响数控机床的轮廓加工精度。因为，在一个伺服系统中，包含了电子、电机、液压、机械等各种部件，系统中有惯胜、阻尼，这就造成了伺服系统的实际输出滞后于输人信号48， 产生跟随误差。低速运动时系统可以较好的跟随输入，高速运动则会带来较大的轮廓误差49。如果两个轴的增益不同，则会造成两个轴的运动不协调，从而带来轮廓误差。两轴增益相同时，两轴运动协调，但相同的滞后也会带来合成运动的滞后，从而带来轮廓误差。由于跟随误差是数控系统的特性，无法根本消除，只能对其调整来减小误差，而不能从根本上消除，所以有必要对其分析，确定跟随误差带来的轮廓误差，对误差进行预判，并提出相应的对策减小或消除轮廓误差。在数控机床伺服进给系统中，若每个进给轴的位置环增益不一样，则会产生轮廓误差。轮廓误差是指实际轮廓轨迹与理论轮廓轨迹之间的最短距离。2.2 插补原理误差当用数控机床加工零件时，根据数控装置所具有的插补功能的不同，可用直线或圆弧去逼近零件轮廓。当用直线或圆弧逼近零件轮廓曲线时，逼近曲线与实际原始轮廓曲线之间的最大差值，称为插补误差。插补误差是由插补原理带来的，不同的插补原理误差是不同的，但都不能从根本上消除。在数控加工过程中, 刀具是沿各个坐标轴一步一步移动的，刀具移动的最小距离即为脉冲当量或最小设定单位。从理论上讲，刀具的轨迹只能是平行于坐标轴的折线，而不可能是一条光滑的曲线。因此，刀具不可能严格按照所加工的曲线运动，而只能以折线来近似代替，这种代替的过程就是插补。在插补过程中必然要产生误差, 但只要所产生的误差在所要求的范围之内，这个误差将是允许存在的51。我们现在所分析的问题就是用什么样的折线，怎样代替所加工的曲线,或者改变什么参数，使误差尽可能地减小。有逐点比较法插补误差法，时间分割法插补误差等方法。时间分割法的原理是：系统在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(数字量), 并把位移增量输送到伺服系统,使各进给轴按给定的位移增量运动，可保证每个插补点均落在被插补的曲线。3.间隙误差与垂直度误差机床在长期运行过程中，磨损及震动将带来间隙和机床部件之间的错位。对于具有传动系统的机床，磨损将会带来齿轮和丝杠等传动部件之间的间隙，表现在机床加工过程中即是机床反向时，机床运动的不协调，反向轴的运动被抵消，从而带来零件的误差。而部件的错位将破坏导轨之间相互之间垂直的精度。对于间隙和垂直度误差，其补偿只需要一个数据，这个数据可以从实际中测量.3.1 丝杠间隙误差分析与补偿丝杠预紧力不够或磨损导致丝杠螺母副出现间隙。在数控机床的进给传动链中，齿轮传动、丝杠螺母副等均存在反向间隙，对于采用开环或半闭环伺服系统的数控机床。反向间隙的存在会影响到机床的定位精度和重复定位精度，从而影响到产品的加工精度,这就需要数控系统提供反向间隙补偿功能，并且随着数控机床使用时间的增长，反向间隙还会因磨损造成的运动副间隙的增大而逐渐增加，因此需定期对数控机床各坐标轴的反向间隙进行测定和补偿54。其补偿方法有直线间隙补偿，圆弧间隙补偿等。如用计算机软件进行补偿，不仅方法简单方便，而且也不需追究间隙产生的原因55。3.2数控机床垂直度误差分析与补偿由于机床本身的安装不当或长期运行时的震动等内力和外力的作用，导轨的垂直度误差逐渐的超出设计允许的范围。垂直度误差会带来轮廓误差和位置误差。垂直度误差包括线对面的垂直度误差与线对线的垂直度误差，数控机床在加工过程中，各轴的垂直度误差都经过测试，满足机床的设计精度，经过一段时间的使用，垂直度误差超过设计精度时，就需要进行修正，垂直度超差的原因主要是各配合部分的移动，以三轴龙门式铣床为例，龙门经过长时间的震动与受力，经常会发生偏移，这时就会出现x 轴y 轴之间垂直度误差的出现，误差主要出现在一个方向，即xy 平面内，可以认为是线对线的垂直度误差，本文主要讨论线对线的垂直度误差。垂直度误差影响孔位精度，在导轨几何误差中影响影响孔位精度的主要因素有，与孔垂直的平面内的导轨直线度误差和此平面内纵横两个方向导轨之间垂直度误差。加工大孔距时，尤其是孔距接近工作台极限行程时，垂直度误差对孔位精度的影响，远大于直线度误差的影响59。此外，垂直度误差带来了直线轮廓误差，圆弧轮廓误差等。针对直线轮廓的垂直度误差，因为存在垂直度误差的直线轮廓仍为直线，因而直线轮廓的补偿可以采用改变直线斜率的方法，即可以采用改变直线终点的方法。而对于圆弧轮廓误差，如果要使加工出的圆弧与理论圆一致，可以设实际加工出的圆弧的方程满足理论圆的方程，那么实际的圆弧轮廓可以根据点的变换，将理论上的圆弧轮廓用方程表达出来，编程时可以根据理论圆弧轮廓进行编程，调整垂直度误差的值即可以实现圆弧垂直度误差的补偿。4.螺距误差与热误差螺距误差可以在制造的过程中产生，也可以在长期运行中逐渐的磨损引起，而热误差是由机床的受热膨胀带来的，受热膨胀包括床身和丝杠的热伸长，伸长通过一定的方式作用在加工过程中，使零件的加工精度下降。单端固定的丝杠，保持丝杠一端固定将会使丝杠向同一个方向伸长，如果固定端与机床原点重合，那么床身的热伸长将不会影响精度，热误差主要由丝杠的热伸长决定。因而热误差与机床结构有关，丝杠螺距误差对所有的机床性质都是相同的。4.1 螺距误差分析与补偿在开环与半闭环伺服系统中,滚珠丝杠螺母副处在进给系统传运链的末端,它的传动误差将直接影响定位精度。其中最重要的是丝杠的螺距累积误差。在机床使用过程中，定位精度进一步受到负载变化、振动、热变形、机床导轨和滚珠丝杠螺母副的磨损以及数控装置元件特性变化的影响62。螺距累积误差可分为等间距螺距误差和存储型螺距误差两种。等间距螺距误差即是每两个螺距之间的螺距比理论螺距增加或减小一个相同的值，存储型螺距误主要由长时间使用的磨损造成，螺纹中心线之间的距离；一般保持不变，螺纹牙型变小。螺距误差补偿对开环控制系统和半闭环控制系统具有显著的效果，可明显提高系统的定位精度和重复定位精度螺距误差补偿原理包括电气补偿法和软件补偿法。（1）电气补偿法在控制系统中设置相应的螺距补偿电路，以达到误差补偿的目的。经济型数控机床通常采用此方法进行螺距累积误差补偿，来提高定位精度。丝杠螺距累积误差补偿采用定点的脉冲补偿方法修正螺距累积误差。根据实测的丝杠在全行程的误差曲线，在累积误差达到一个脉冲当量处安装一个挡块。当工作台移动时装在床身上的微动开关与挡块每接触一次就通过螺距误差补偿控制电路，相应地进行脉冲补偿。由于电气补偿必用微动开关、补偿杆及挡块等，受到补偿点数量的限制，而且控制精度越高，所需的这些电控元件也就越多，控制电路就越复杂，这种方法只适用于系统误差变化简单或固定的场合。（2）软件补偿法利用软件进行计算机辅助补偿的方法消除定位误差，可以包括螺距累积误差补偿、反向间隙误差补偿及热变形误差补偿。还可以根据定期测定的定位误差值，补偿由于磨损等引起的精度损失。不过，当补偿点数较大时，需要大量的表格数据来存储补偿参数，占用计算机系统资源较多，补偿速度相对较慢，影响定位系统的整体定位速度。但随着高速数字信号处理器的出现及其广泛应用于控制领域，这个问题已经得到了很好的解决，而且软件补偿法灵活性大，补偿量可以很方便地改变64。4.2 热变形误差分析补偿对于高精度的数控机床，热误差是最大误差源，占机床总误差的40%-70%。对于本文研究的对象，博大数控机床属于半闭环控制机床，因而精度较加工中心等高精度机床有不少差距，因而几何误差仍然是本文研究对象的主要误差，热误差只占其中的一部分。引起机床变形的热源可分为以下几类：磨擦热；切削热；环境温度、热幅射。减小机床热误差，提高加工精度有许多不同的方法，总的来说，可将它们分为两类，即误差避免和误差补偿。实践证明造成机床热变形最主要原因为磨擦热和切削热，环境温度、热幅射在精加工中才有较大影响69。误差防止主要有两种方法：改进机床的材料和设计；控制机床主要部件的温度变化。误差补偿是通过建立机床温度场与热误差之间的数学模型，并用软件预报误差的大小，进行补偿70。对于误差防止，在一定条件下可以减小误差，但受到材料和设计的影响，而且增加了结构的复杂性和制造成本。软件补偿的方法基于软件，不受硬件限制，可以较好的补偿热误差，但也有缺点，主要有，误差模型通用性不强，它一般只适用