《數控技術及應用》第8章：數控機床的精度

1、2第8章 數控機床的精度數控機床正在向高精度化方向發(fā)展，數數控機床正在向高精度化方向發(fā)展，數控機床精度的提高日益為人們所重視?？貦C床精度的提高日益為人們所重視。本章主要介紹數控機床的精度標準和提本章主要介紹數控機床的精度標準和提高數控機床精度措施的基本概念。并重高數控機床精度措施的基本概念。并重點介紹數控機床的精度檢測項目和評定點介紹數控機床的精度檢測項目和評定方法。方法。38.1 概 述8.1.1 機床精度的基本概念工件的加工精度是指加工后的幾何參數工件的加工精度是指加工后的幾何參數(尺寸、形尺寸、形狀和表面相互位置狀和表面相互位置)與理想幾何參數符合的程度。與理想幾何參數符合的程度。精度的

2、高低用誤差的大小來表達。誤差是指實際值精度的高低用誤差的大小來表達。誤差是指實際值與理想值之間的差值，誤差愈小，則精度愈高。工與理想值之間的差值，誤差愈小，則精度愈高。工件的加工精度用尺寸精度、形狀精度和位置精度三件的加工精度用尺寸精度、形狀精度和位置精度三項指針來衡量。項指針來衡量。 在機械加工中，工件和刀具直接或通過夾具安裝在機床上，工件的加工精度主要取決于工件和刀具在切削成形運動過程中相互位置的正確程度。 48.1.2 數控機床精度的主要檢測項目1. 幾何精度機床的幾何精度是指機床的主要運動部件及其運動軌跡的形狀精度和相對位置精度。它對工件的加工精度有直接影響，因而是衡量機床質量的基本指

3、標。幾何精度通常在運動部件不動或低速運動的條件下檢查，其中主要包括：(1) 導軌的直線度 (2) 導軌或主要運動部件運動基準間的相對位置精度 (3) 主軸的回轉精度 2. 定位精度機床的定位精度是指其主要運動部件沿某一坐標軸方向，向預定的目標位置運動時所達到的位置的精度。 3. 工作精度機床的工作精度是機床在實際切削加工條件下的一項綜合考核。 58.2 數控機床的定位精度8.2.1 定位精度的基本概念定位精度的高低用定位誤差的大小來衡量。按國家標準規(guī)定，對數控機床定位精度采用統(tǒng)計檢驗方法確定。1. 定位誤差的統(tǒng)計檢驗方法定位誤差的統(tǒng)計檢驗方法(1) 系統(tǒng)性誤差 (2) 隨機性誤差 2. 定位精

4、度的確定定位精度的確定 定位精度主要用以下三項指標表示：(1)定位精度定位精度 (2)重復定位精度重復定位精度 (3)反向差值反向差值 3. 實際檢測中定位精度的計算實際檢測中定位精度的計算68.2.2 定位精度的檢測數控機床的定位精度一般采數控機床的定位精度一般采用刻線基準尺和讀數顯微鏡、用刻線基準尺和讀數顯微鏡、激光干涉儀、光柵、感應同激光干涉儀、光柵、感應同步器等測量工具進行檢測。步器等測量工具進行檢測。利用刻線基準尺和讀數顯微利用刻線基準尺和讀數顯微鏡的測量原理見圖鏡的測量原理見圖8.3(a)。 較高精度的數控機床常用雙較高精度的數控機床常用雙頻激光干涉儀測量定位精度。頻激光干涉儀測量

5、定位精度。其測量原理見圖其測量原理見圖8.3(b)。 圖圖8.4為激光干涉儀測量系統(tǒng)為激光干涉儀測量系統(tǒng)的原理圖。的原理圖。 78.2.3 數控機床定位精度的評定按國家標準按國家標準GBl093189“數字控制機床位置精度的評定方法數字控制機床位置精度的評定方法”的規(guī)定，數控坐標軸定位精度的評定項目有以下三項：的規(guī)定，數控坐標軸定位精度的評定項目有以下三項：軸線的重復定位精度R；軸線的定位精度A；軸線的反向差值B。檢測時，在各坐標軸上選擇若干測點，在每個測點位置上，使檢測時，在各坐標軸上選擇若干測點，在每個測點位置上，使移動部件按正、反兩個方向移動趨近。測定定位誤差。移動部件按正、反兩個方向移

6、動趨近。測定定位誤差。 用圖表示的檢測結果如圖用圖表示的檢測結果如圖8.5所示。所示。88.3 數控機床定位精度分析和提高措施8.3.1 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度分析在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，指令脈沖經脈沖分配器、功率放大器、步進電動機、減速齒輪、滾珠絲杠螺母副轉換為機床工作臺(或刀架)的移動。 在機床使用過程中，定位精度進一步受到負載變化、振動、熱變形、機床導軌和絲杠螺母副的磨損以及數控裝置組件特性變化等的影響。其中，主要的影響因素有下列各項。1. 步進電動機的誤差步進電動機的誤差(1)步進電動機的步距角誤差步進電動機的步距角誤差 (2)步進電動機的動態(tài)誤差步進電動機的動態(tài)誤差 (3)步進電動機的起停誤差

7、步進電動機的起停誤差 2. 機械傳動部分的誤差機械傳動部分的誤差(1)齒輪副的傳動誤差及傳動間隙齒輪副的傳動誤差及傳動間隙 (2)滾珠絲杠螺母副的傳動誤差及傳動間隙滾珠絲杠螺母副的傳動誤差及傳動間隙 98.3.1 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度分析開環(huán)系統(tǒng)的定位精度分析3. 導軌副的誤差當導軌副的導軌面存在直線度誤差、平面度誤差、兩導軌間的平行度誤差以及滾動體存在形狀、尺寸誤差時都會使運動件不能沿給定方向作直線運動，使導軌副的運動件偏離給定方向運行；或產生運動軌跡的不直線性，使運動件顛擺(上、下擺動)或搖擺(水平擺動)，這就產生了導向誤差，直接影響了定位精度。 4. 機械傳動部分的受力變形由于負載的變化(

8、包括切削力、摩擦力以及加減速過程中的慣性力等)會引起彈性變形量的變化，造成移動部件的定位誤差以及反向時的失動量。 5. 機械進給部分的熱變形數控機床由于機動時間長，由摩擦溫升引起的熱變形常是定位誤差的主要組成部分。其中由絲杠和螺母相對運動摩擦引起的溫升使絲杠產生的熱伸長常會嚴重影響定位精度。108.3.2 失動量的來源和消除措施失動是指工作臺或刀架反向移動時失動是指工作臺或刀架反向移動時的位移損失。在開環(huán)系統(tǒng)中，反向的位移損失。在開環(huán)系統(tǒng)中，反向差值差值B反映了失動量的大小。反映了失動量的大小。失動量的來源可用圖失動量的來源可用圖8.6為例說明。為例說明。 為了減少失動量，可以從以下幾個為了減

9、少失動量，可以從以下幾個方面采取措施：方面采取措施：(1)從產生失動量的根源上采取措施。減小、消除各種機械間隙，采用各種消除間隙的結構。裝配時預加載荷。減少絲杠的彈性變形。增大軸徑可有效地減少變形。(2)減少相對運動件之間的摩擦力。(3)對于點位控制系統(tǒng)可以采用單方向趨近法。(4)失動量中的常值系統(tǒng)性誤差部分，可以通過誤差補償的方法消除或減少。118.3.3 全死循環(huán)控制系統(tǒng)的定位精度分析全死循環(huán)控制系統(tǒng)由于在工作臺上安裝了位置檢測組件，把位全死循環(huán)控制系統(tǒng)由于在工作臺上安裝了位置檢測組件，把位移信號反饋到輸入端并與輸入信號相比較，實現(xiàn)對工作臺的反移信號反饋到輸入端并與輸入信號相比較，實現(xiàn)對工

10、作臺的反饋控制，因而機械傳動系統(tǒng)各部分的誤差對工作臺的定位精度饋控制，因而機械傳動系統(tǒng)各部分的誤差對工作臺的定位精度沒有直接關系，定位誤差主要取決于位置檢測系統(tǒng)的誤差。它沒有直接關系，定位誤差主要取決于位置檢測系統(tǒng)的誤差。它主要包括有檢測組件本身的誤差，如分辨率、線性度等，以及主要包括有檢測組件本身的誤差，如分辨率、線性度等，以及由于檢測組件的安裝、調整所造成的誤差。由于檢測組件的安裝、調整所造成的誤差。全死循環(huán)控制系統(tǒng)中的失動量，雖然不直接影響定位精度，但全死循環(huán)控制系統(tǒng)中的失動量，雖然不直接影響定位精度，但過大的失動量會造成伺服系統(tǒng)的動態(tài)不穩(wěn)定和振蕩，使系統(tǒng)性過大的失動量會造成伺服系統(tǒng)的動

11、態(tài)不穩(wěn)定和振蕩，使系統(tǒng)性能下降。一般死循環(huán)控制系統(tǒng)中，輪廓加工機床的失動量應控能下降。一般死循環(huán)控制系統(tǒng)中，輪廓加工機床的失動量應控制到小于或等于制到小于或等于4m，點位控制系統(tǒng)允許到，點位控制系統(tǒng)允許到0.010.02mm。半死循環(huán)控制系統(tǒng)由于絲杠螺母副到工作臺之間的傳動鏈不在半死循環(huán)控制系統(tǒng)由于絲杠螺母副到工作臺之間的傳動鏈不在反饋控制環(huán)內，該部分的各種誤差與開環(huán)控制系統(tǒng)一樣，會影反饋控制環(huán)內，該部分的各種誤差與開環(huán)控制系統(tǒng)一樣，會影響定位精度。響定位精度。128.3.4 提高定位精度的措施定位誤差補償 可以采用以下兩種基本的方法?？梢圆捎靡韵聝煞N基本的方法。(1)從產生誤差的根源上采取措

12、施減小或消除定位誤差。 (2)采用誤差補償方法提高定位精度。 誤差補償的原理就是人為地制造一個大小相等、方向誤差補償的原理就是人為地制造一個大小相等、方向相反的誤差去補償原有的誤差。相反的誤差去補償原有的誤差。 1. 電氣補償法(1)反向間隙誤差補償 (2)螺距累積誤差補償 2. 軟件補償法(1)反向間隙誤差補償 (2)由螺距累積誤差等引起的常值系統(tǒng)性定位誤差的補償 138.4 數控機床的工作精度8.4.1 數控機床的工作精度試驗1. 主要檢測項目主要檢測項目 現(xiàn)以加工中心為例，介紹其工作精度的主要檢測項目。(1)鏜孔孔距精度 (2)斜線銑削精度 檢測項目有：檢測項目有：F四面的直線度；F相對

13、面間的平行度；F相鄰兩面間的垂直度。(3)銑圓精度 2. 各檢驗項目與機床精度的各檢驗項目與機床精度的關系關系圖8.8表示在兩孔中心位置A、B兩點處機床定位精度對試件孔距精度的影響。 148.4.2 機床進給伺服系統(tǒng)特性對加工精度的影響控制系統(tǒng)應同時精確地控制各坐標控制系統(tǒng)應同時精確地控制各坐標軸運動的位置和速度。由于系統(tǒng)的軸運動的位置和速度。由于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，會影響坐標軸的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，會影響坐標軸的協(xié)調運動和位置的精確性，產生輪協(xié)調運動和位置的精確性，產生輪廓的形狀誤差。以下僅討論系統(tǒng)的廓的形狀誤差。以下僅討論系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性對輪廓誤差的影響。穩(wěn)態(tài)特性對輪廓誤差的影響。1. 跟隨誤

14、差數控機床的伺服進給系統(tǒng)可簡化為一階系統(tǒng)來討論。當恒速輸入時，穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的運動速度與速度指令值相同，但是兩者的瞬時位置有一恒定的滯后。 在圖8.9中，曲線1為某一坐標軸的位置命令輸入曲線，曲線2為實際運動的位置時間曲線。 2. 跟隨誤差與輪廓誤差之間的關系輪廓誤差是指實際軌跡與要求軌跡之間的最短距離。一般分析兩種情況下的輪廓誤差：加工直線輪廓和加工圓弧輪廓。 158.5 習 題(1)數控機床的精度主要有哪些檢測項目？為什么說定位精度與工作精度數控機床的精度主要有哪些檢測項目？為什么說定位精度與工作精度試驗對數控機床來說尤為重要？試驗對數控機床來說尤為重要？(2)數控機床定位精度的含義是什么

15、？數控機床定位精度的含義是什么？(3)當采用統(tǒng)計分析法確定定位誤差時，其兩項主要參數和當采用統(tǒng)計分析法確定定位誤差時，其兩項主要參數和的含義分別的含義分別是什么？它們分別反映了哪種性質的誤差？是什么？它們分別反映了哪種性質的誤差？(4)已知某一坐標軸上若干個目標點的定位精度后，如何評定該坐標軸的已知某一坐標軸上若干個目標點的定位精度后，如何評定該坐標軸的定位精度？定位精度？(5)影響開環(huán)控制系統(tǒng)定位精度的因素是什么？影響開環(huán)控制系統(tǒng)定位精度的因素是什么？(6)如何提高開環(huán)控制系統(tǒng)定位精度？如何提高開環(huán)控制系統(tǒng)定位精度？(7)影響死循環(huán)控制系統(tǒng)定位精度的因素是什么？影響死循環(huán)控制系統(tǒng)定位精度的因素是什么？(8)產生失動量