清华大学出版社-数控技术及应用-第章

2 第8章数控机床的精度 数控机床正在向高精度化方向发展 数控机床精度的提高日益为人们所重视 本章主要介绍数控机床的精度标准和提高数控机床精度措施的基本概念 并重点介绍数控机床的精度检测项目和评定方法 3 8 1概述 8 1 1机床精度的基本概念工件的加工精度是指加工后的几何参数 尺寸 形状和表面相互位置 与理想几何参数符合的程度 精度的高低用误差的大小来表达 误差是指实际值与理想值之间的差值 误差愈小 则精度愈高 工件的加工精度用尺寸精度 形状精度和位置精度三项指针来衡量 在机械加工中 工件和刀具直接或通过夹具安装在机床上 工件的加工精度主要取决于工件和刀具在切削成形运动过程中相互位置的正确程度 4 8 1 2数控机床精度的主要检测项目 1 几何精度机床的几何精度是指机床的主要运动部件及其运动轨迹的形状精度和相对位置精度 它对工件的加工精度有直接影响 因而是衡量机床质量的基本指标 几何精度通常在运动部件不动或低速运动的条件下检查 其中主要包括 1 导轨的直线度 2 导轨或主要运动部件运动基准间的相对位置精度 3 主轴的回转精度2 定位精度机床的定位精度是指其主要运动部件沿某一坐标轴方向 向预定的目标位置运动时所达到的位置的精度 3 工作精度机床的工作精度是机床在实际切削加工条件下的一项综合考核 5 8 2数控机床的定位精度 8 2 1定位精度的基本概念定位精度的高低用定位误差的大小来衡量 按国家标准规定 对数控机床定位精度采用统计检验方法确定 1 定位误差的统计检验方法 1 系统性误差 2 随机性误差2 定位精度的确定定位精度主要用以下三项指标表示 1 定位精度 2 重复定位精度 3 反向差值3 实际检测中定位精度的计算 6 8 2 2定位精度的检测 数控机床的定位精度一般采用刻线基准尺和读数显微镜 激光干涉仪 光栅 感应同步器等测量工具进行检测 利用刻线基准尺和读数显微镜的测量原理见图8 3 a 较高精度的数控机床常用双频激光干涉仪测量定位精度 其测量原理见图8 3 b 图8 4为激光干涉仪测量系统的原理图 7 8 2 3数控机床定位精度的评定 按国家标准GBl0931 89 数字控制机床位置精度的评定方法 的规定 数控坐标轴定位精度的评定项目有以下三项 轴线的重复定位精度R 轴线的定位精度A 轴线的反向差值B 检测时 在各坐标轴上选择若干测点 在每个测点位置上 使移动部件按正 反两个方向移动趋近 测定定位误差 用图表示的检测结果如图8 5所示 8 8 3数控机床定位精度分析和提高措施 8 3 1开环系统的定位精度分析在开环伺服系统中 指令脉冲经脉冲分配器 功率放大器 步进电动机 减速齿轮 滚珠丝杠螺母副转换为机床工作台 或刀架 的移动 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 机床导轨和丝杠螺母副的磨损以及数控装置组件特性变化等的影响 其中 主要的影响因素有下列各项 1 步进电动机的误差 1 步进电动机的步距角误差 2 步进电动机的动态误差 3 步进电动机的起停误差2 机械传动部分的误差 1 齿轮副的传动误差及传动间隙 2 滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙 9 8 3 1开环系统的定位精度分析 3 导轨副的误差当导轨副的导轨面存在直线度误差 平面度误差 两导轨间的平行度误差以及滚动体存在形状 尺寸误差时都会使运动件不能沿给定方向作直线运动 使导轨副的运动件偏离给定方向运行 或产生运动轨迹的不直线性 使运动件颠摆 上 下摆动 或摇摆 水平摆动 这就产生了导向误差 直接影响了定位精度 4 机械传动部分的受力变形由于负载的变化 包括切削力 摩擦力以及加减速过程中的惯性力等 会引起弹性变形量的变化 造成移动部件的定位误差以及反向时的失动量 5 机械进给部分的热变形数控机床由于机动时间长 由摩擦温升引起的热变形常是定位误差的主要组成部分 其中由丝杠和螺母相对运动摩擦引起的温升使丝杠产生的热伸长常会严重影响定位精度 10 8 3 2失动量的来源和消除措施 失动是指工作台或刀架反向移动时的位移损失 在开环系统中 反向差值B反映了失动量的大小 失动量的来源可用图8 6为例说明 为了减少失动量 可以从以下几个方面采取措施 1 从产生失动量的根源上采取措施 减小 消除各种机械间隙 采用各种消除间隙的结构 装配时预加载荷 减少丝杠的弹性变形 增大轴径可有效地减少变形 2 减少相对运动件之间的摩擦力 3 对于点位控制系统可以采用单方向趋近法 4 失动量中的常值系统性误差部分 可以通过误差补偿的方法消除或减少 11 8 3 3全死循环控制系统的定位精度分析 全死循环控制系统由于在工作台上安装了位置检测组件 把位移信号反馈到输入端并与输入信号相比较 实现对工作台的反馈控制 因而机械传动系统各部分的误差对工作台的定位精度没有直接关系 定位误差主要取决于位置检测系统的误差 它主要包括有检测组件本身的误差 如分辨率 线性度等 以及由于检测组件的安装 调整所造成的误差 全死循环控制系统中的失动量 虽然不直接影响定位精度 但过大的失动量会造成伺服系统的动态不稳定和振荡 使系统性能下降 一般死循环控制系统中 轮廓加工机床的失动量应控制到小于或等于4 m 点位控制系统允许到0 01 0 02mm 半死循环控制系统由于丝杠螺母副到工作台之间的传动链不在反馈控制环内 该部分的各种误差与开环控制系统一样 会影响定位精度 12 8 3 4提高定位精度的措施 定位误差补偿 可以采用以下两种基本的方法 1 从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差 2 采用误差补偿方法提高定位精度 误差补偿的原理就是人为地制造一个大小相等 方向相反的误差去补偿原有的误差 1 电气补偿法 1 反向间隙误差补偿 2 螺距累积误差补偿2 软件补偿法 1 反向间隙误差补偿 2 由螺距累积误差等引起的常值系统性定位误差的补偿 13 8 4数控机床的工作精度 8 4 1数控机床的工作精度试验1 主要检测项目现以加工中心为例 介绍其工作精度的主要检测项目 1 镗孔孔距精度 2 斜线铣削精度检测项目有 四面的直线度 相对面间的平行度 相邻两面间的垂直度 3 铣圆精度2 各检验项目与机床精度的关系图8 8表示在两孔中心位置A B两点处机床定位精度对试件孔距精度的影响 14 8 4 2机床进给伺服系统特性对加工精度的影响 控制系统应同时精确地控制各坐标轴运动的位置和速度 由于系统的稳态和动态特性 会影响坐标轴的协调运动和位置的精确性 产生轮廓的形状误差 以下仅讨论系统的稳态特性对轮廓误差的影响 1 跟随误差数控机床的伺服进给系统可简化为一阶系统来讨论 当恒速输入时 稳态情况下系统的运动速度与速度指令值相同 但是两者的瞬时位置有一恒定的滞后 在图8 9中 曲线1为某一坐标轴的位置命令输入曲线 曲线2为实际运动的位置时间曲线 2 跟随误差与轮廓误差之间的关系轮廓误差是指实际轨迹与要求轨迹之间的最短距离 一般分析两种情况下的轮廓误差 加工直线轮廓和加工圆弧轮廓 15 8 5习题 1 数控机床的精度主要有哪些检测项目 为什么说定位精度与工作精度试验对数控机床来说尤为重要 2 数控机床定位精度的含义是什么 3 当采用统计分析法确定定位误差时 其两项主要参数和 的含义分别是什么 它们分别反映了哪种性质的误差 4 已知某一坐标轴上若干个目标点的定位精度后 如何评定该坐标轴的定位精度 5 影响开环控制系统定位精度的因素是什么 6 如何提高