数控技术及应用数控机床的精度PPT课件

1 第八章数控机床的精度 本章重点 定位精度的评定和定位精度的提高 掌握计算方法 2 一 概述 机床精度是机床性能的一项重要评价指标 它对工件的加工精度常起到确定性的作用 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 误差越小 精度越高 工件的加工精度用尺寸精度 形状精度和位置精度三项指标来衡量 3 一 概述 数控机床精度的主要检测项目数控机床精度主要从几何精度 定位精度以及工作精度等项目进行评价 1 几何精度机床几何精度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 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者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 如垂直度的要求 3 主轴的回转精度 如车外圆时 产生圆度误差等 4 一 概述 数控机床精度的主要检测项目2 定位精度机床的定位精度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 它对加工精度的影响很大 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 几何精度和定位精度都是在不切削的状态下进行检测的 5 二 数控机床的定位精度 定位精度的基本概念数控机床的定位精度是机床移动部件向给定目标位置定位时 其实际值与理论值的接近程度 用定位误差的大小表示 定位误差是限制移动部件上的一个点在移动后偏离其应达到位置的允许偏差 影响定位误差的因素有系统误差 随机误差等 1 定位误差的统计检验方法定位误差按照其出现的规律分为 1 系统性误差 误差大小 方向保持不变 或按一定规律变化 前者称为常值系统性误差 后者称为变值系统性误差 2 随机性误差 误差大小和方向是不规律的变化 实际中 两种误差同时存在 6 二 数控机床的定位精度 定位误差的分布符合正态分布的统计规律 其分布曲线近似于一条正态分布曲线 正态分布曲线具有下列特点 1 曲线呈钟形 对称分布 2 误差平均值 平均位置偏差 3 均方根误差 4 分散范围为 7 二 数控机床的定位精度 2 定位精度的确定定位精度主要有以下三项指标表示 1 定位精度 用定位误差A表示 2 重复定位精度 用重复定位误差R表示 3 反向差值 当移动部件从正 反两个方向多次重复趋近某一点定位时 正 反两个方向的平均位置偏差是不相同 设正反向趋近定位点时 平均位置偏差分别为 8 二 数控机床的定位精度 3 实际检测中定位精度的计算实际检测中因测量次数较少 一般测量次数n 10 此时应采用下式计算标准偏差值S来代替均方根误差 即 9 二 数控机床的定位精度 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 数控机床定位精度评定按国家标准GB10931 89 数控机床位置精度评定方法 规定 数控坐标轴定位精度的评定项目有以下三项 1 轴线重复定位精度R 2 轴线定位精度A 3 轴线反向差值B 10 二 数控机床的定位精度 数控机床定位精度评定对各项目的评定方法为 1 轴线的重复定位精度R 各测点的重复定位精度为 Rj 6S Rj 6S 轴线重复定位精度R为Rj Rj 中的最大值 即R Rj max 2 轴线的定位精度A 轴线定位精度为双向趋近各测点时 3 同线的反向差值B 为各测点的方向差值中的最大绝对值 即B Bj max见书162面例题 11 三 数控机床定位精度分析和提高措施 开环系统的定位精度分析开环伺服系统中 机床工作台的定位精度受到所有电气 功率放大器 步进电机等 或机械装置及元件结构设计和制造精度的综合影响 其中主要影响因素有下列各项 1 步进电动机的误差 1 步进电动机步距角误差 伺服式步进电机步距角误差一般为 10分 30分 功率步进电机一般为 20分 25分 2 2 步进电机的动态误差 步进电机单步运行时有明显的振荡 超调量一般为步距角20 30 在某些频率运行时有共振现象 3 步进电机的起停误差 起动和停止过渡过程中 电机的转动滞后于控制脉冲 12 三 数控机床定位精度分析和提高措施 开环系统的定位精度分析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即传动间隙 3 导轨副的误差导向精度非常重要 当导轨副导轨面存在直线度误差 平面度误差等 将影响系统的定位精度 4 机械传动部分的受力变形由于负载变化引起的弹性变形或者爬行现象时 都会影响定位精度 13 三 数控机床定位精度分析和提高措施 开环系统的定位精度分析5 机械传动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 其中有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 14 三 数控机床定位精度分析和提高措施 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 方向差值B反映了失动量的大小 为了减少失动量 可以从下面几个方面采取措施 1 从产生失动量的根源上采取措施 1 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 2 减少丝杠的弹性变形 增大轴径可有效的减少变形 15 三 数控机床定位精度分析和提高措施 失动量的来源和消除措施为了减少失动量 可以从下面几个方面采取措施 2 减少相对运动件之间的摩擦力摩擦会间接的增大失动量 当摩擦力增大时 传动件的负载相应的增大 从而增大了受力变形 3 对于点位控制系统可以采用单方向趋近法 在需要反向移动定位时 先反向移动超过定位点一段距离 再正向移动趋近定位点 使失动量不参与定位运动 4 失动量中的常值系统误差部分 可以通过误差补偿的方法消除或减少 16 闭环系统的定位精度分析闭环系统由于在工作台上装了位置检测元件 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 主要包括 检测元件本身的误差 分辨率 线性度等 以及由于检测元件安装 调整所造成的误差 阿贝误差 工作台偏转角度 工件位置 加工或测量 偏离检测元件的距离可见检测元件安装的离工件越远 阿贝误差越大 图8 10 三 数控机床定位精度分析和提高措施 17 闭环系统的定位精度分析闭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 一般闭环系统中 轮廓加工机床的失动量应控制到小于或等于4微米 点位控制允许到0 01 0 02mm 对于半闭环控制系统 由于丝杠螺母副到工作台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 三 数控机床定位精度分析和提高措施 18 提高定位精度的措施 定位误差补偿要减少定位误差中的随机性误差部分较为困难 而对于系统性误差部分则比较容易采取措施减小或消除 一般情况下 系统性误差占较大比重 因此可以通过减少系统性误差来提高定位误差 有两种基本方法 1 从产生误差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 实测出各坐标轴定位误差后 即可采用误差补偿来减少定位误差中的系统性误差部分 误差补偿原理 人为的制造一个大小相等 方向相反的误差去补偿原有的误差 三 数控机床定位精度分析和提高措施 19 提高定位精度的措施 定位误差补偿一般数控机床采用电气补偿法进行反向间隙和螺距累积误差的补偿 提高定位精度 而采用计算机控制的数控机床 则广泛采用软件补偿法 该法灵活性大 不仅可以补偿反向间隙和螺距累积误差之类的常值性系统性误差 还可以补偿由机床热变形等引起的变值系统性误差 提高定位精度效果显著 1 电气补偿法 1 反向间隙误差补偿 由于机床各坐标轴的失动量不尽相同 各轴都要设置一套间隙补偿电流 2 螺距累积误差补偿 滚珠丝杠的螺距累积误差是定位误差中最主要的组成部分 可以采用定点的脉冲补偿方法修正螺距累积误差 图8 11 三 数控机床定位精度分析和提高措施 20 提高定位精度的措施 定位误差补偿2 软件补偿法 1 反向间隙误差补偿 其基本思路与硬件补偿法一样 当坐标轴接受到反向指令时 调用间隙补偿程序 自动的将齿隙补偿值加到由插补程序算出的位置增量命令中进行补偿 2 由螺距累积误差引起的常值系统性定位误差的补偿 首先要在机床上建立绝对原点 然后根据实测的机床某一坐标轴的全程定位误差曲线来确定补偿点 列成误差修正表 存入计算机 当工作台移动时 由安装在绝对原点处的微动开关发出绝对原点定位信号 计算机随时发出对应于目标补偿点的误差补偿信息 对机床的定位误差进行补偿 图8 12 三 数控机床定位精度分析和提高措施 21 数控机床的工作精度试验 参考课本加工中心实例169页 机床进给伺服系统特性对加工精度的影响在进行连续切削加工的闭环控制系统中 为了保证轮廓形状精度 除了要求机床有较高的定位精度外 还要求系统具有良好的动态响应特性 能稳定而灵敏的跟随指令信号 即要求系统具有高的轮廓跟随精度 系统的