李宏亮

（西山煤電股份公司 西山熱電有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代的機(jī)械制造業(yè)中是一個(gè)十分重要的組成部分，它對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起著極其關(guān)鍵的支持作用。在數(shù)控機(jī)床的工作運(yùn)行過(guò)程中，由于其自身的性質(zhì)特殊，它是機(jī)械精度的加工程序，因此，會(huì)存在或大或小的誤差，這些誤差對(duì)于后期精度的加工是非常不利的，因此需要采取行之有效的措施。筆者從實(shí)際運(yùn)行的角度出發(fā)，依據(jù)于其的標(biāo)準(zhǔn)化要求、運(yùn)動(dòng)的誤差及其模型的建立方法、運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)裝置、對(duì)誤差源的診斷等五個(gè)方面進(jìn)行了分析研究。

1 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度穩(wěn)定性的綜述

數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度是指機(jī)床在處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，在它的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中幾個(gè)關(guān)鍵性的運(yùn)動(dòng)部件軌跡精度狀況，一般來(lái)說(shuō)，它所反映的是數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行零件的加工中的必要刀具、操作臺(tái)幾的實(shí)際運(yùn)行的軌跡以及其預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡的符合等級(jí)，它的大小主要是通過(guò)運(yùn)動(dòng)誤差來(lái)控制的。從實(shí)際的工作狀況來(lái)看，它的運(yùn)動(dòng)誤差受到幾方面因素的影響，主要包括主軸的回轉(zhuǎn)誤差大小、運(yùn)行的速度、運(yùn)動(dòng)件的重力以及傳動(dòng)件等，但是，其很大程度還是依靠于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀況。這些都對(duì)加工的精度準(zhǔn)確性有很大的影響，需要采取有計(jì)劃性和針對(duì)性的方法來(lái)進(jìn)行控制。

2 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的標(biāo)準(zhǔn)化

2.1 運(yùn)動(dòng)精度

運(yùn)動(dòng)精度是指數(shù)控機(jī)床在正常的工作狀態(tài)時(shí)，它的整個(gè)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)的最佳的最貼合實(shí)際的加工處理精度，從實(shí)際的機(jī)床加工運(yùn)行來(lái)分析，對(duì)于它的運(yùn)動(dòng)精度主要涉及下面五部分。

1）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的位置精度。

2）重復(fù)的精度大小。

3）直線運(yùn)動(dòng)位置的精度大小。

4）間隙存在的誤差大小。

5）遠(yuǎn)點(diǎn)返回的精度。其中，間隙誤差指的是數(shù)控機(jī)床中的某個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)給傳動(dòng)鏈上驅(qū)動(dòng)部件的反方向盲區(qū)u，它是對(duì)各個(gè)不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)所發(fā)生傳動(dòng)時(shí)反方向間隙所產(chǎn)生的誤差的全面體現(xiàn)，所反映的差值越大就說(shuō)明它的位置精度和重復(fù)定位的誤差越大。

2.2 “圓運(yùn)動(dòng)”

通常情況下，對(duì)于多軸數(shù)控機(jī)床的加工處理是基于多軸聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看，它的“圓運(yùn)動(dòng)”精度實(shí)現(xiàn)需要由檢測(cè)典型的和機(jī)床所通過(guò)的雙軸插補(bǔ)來(lái)最終合成。從重檢測(cè)機(jī)床來(lái)看，它的這方面精度是具有多方面包含信息的，它不僅可以及時(shí)快速地得到所需要機(jī)床的幾何精度、位置的誤差、重復(fù)精度等相關(guān)的信息資料，還能夠在此基礎(chǔ)上獲得與進(jìn)給速度和伺服控制系統(tǒng)所有關(guān)聯(lián)的信息資料，同時(shí)除了這些涉及到的方面外，它還涉及到機(jī)床的其他方面，像爬行、標(biāo)尺的偏差以及反方向的間隙等所引起的有較大誤差值的分量，因此，可以較為全面地反映出它的加工性能優(yōu)劣。

3 數(shù)控機(jī)床所出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)精度偏差

3.1 所出現(xiàn)偏差的類型分析

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床在正常運(yùn)行下出現(xiàn)精度誤差并不是單一因素造成的，而是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，一般涉及到兩個(gè)類型：一是和位置相關(guān)的誤差；二是和進(jìn)給速度以及方向相關(guān)的誤差。具體的誤差類型見(jiàn)表1.

表1 誤差類型表

3.2 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差的建模

從實(shí)際情況來(lái)看，正常的狀態(tài)下，對(duì)于機(jī)床的不同誤差分量進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償工作是按照既有的要求順序來(lái)開(kāi)展的，也就是三個(gè)主要環(huán)節(jié)：首先，要對(duì)誤差進(jìn)行建模和區(qū)分；其次，再把之前就已經(jīng)明確的誤差分量和相應(yīng)的部件兩者之間的關(guān)系進(jìn)行規(guī)范定位；第三，要對(duì)存在的誤差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要根據(jù)實(shí)際選擇最為合適有效的控制操作指令，確保其有高效運(yùn)行的條件。

3.2.1 誤差矢量化模型

根據(jù)在實(shí)際中的運(yùn)行原理來(lái)看，主要是利用眾多部件和其位置空間矢量化，在機(jī)床自身確定以點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后再根據(jù)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)做出其到刀具和基準(zhǔn)點(diǎn)兩者間的路徑，這個(gè)路徑是矢量的，有兩條這樣的矢量路徑。機(jī)床的性質(zhì)特殊性，它存在有一定的誤差，因此，從這方面來(lái)講，原有的集合于事前的那個(gè)基點(diǎn)具有兩條路徑出現(xiàn)了特別大的偏差值，Kakino根據(jù)這些誤差源之間所產(chǎn)生的誤差制成軌跡圖，但是這個(gè)討論往往忽視了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，就是沒(méi)有把3根導(dǎo)軌之間的垂直度誤差放在至關(guān)重要的地位來(lái)看待。

3.2.2 剛體存在的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析

最先闡述這一模型的是A.C.Okafor提出的，它的主要根據(jù)就是在剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理以及誤差的小角近似法的利用下，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行綜合的分析，把它的各個(gè)軸與其他部件和坐標(biāo)系之間存在的內(nèi)在關(guān)系模式通過(guò)齊次變換矩陣來(lái)表示出來(lái)，一般是采取4×4的矩陣形式，這個(gè)形式的矩陣所代表的含義是一個(gè)坐標(biāo)系到另一坐標(biāo)系之間的過(guò)度矩陣。經(jīng)過(guò)上述的做法后，就可以得到合成機(jī)床所存在的運(yùn)動(dòng)誤差大小以及位置的誤差，在此基礎(chǔ)上又可以順利的獲得多軸加工中心存在的運(yùn)動(dòng)誤差的表述式。

3.2.3 高階導(dǎo)軌坐標(biāo)系統(tǒng)模型

這一模型是由J.M.Lai提出的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，根據(jù)需要描述了一種新的方式，即從指令坐標(biāo)到絕對(duì)坐標(biāo)之間的矩陣轉(zhuǎn)換，其中就包含著誤差矢量的高階項(xiàng)，這種模型方法較為適合具有運(yùn)動(dòng)性能中精度十分高的機(jī)床判斷。此外，在這個(gè)模型的作用下，還可以積極的采用雙球規(guī)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌系統(tǒng)內(nèi)部中具有的非線性誤差源進(jìn)行高效合理的判斷標(biāo)明，基于此，就可以進(jìn)一步的提高檢測(cè)的精度準(zhǔn)確性，因?yàn)槠渲猩婕暗揭粋€(gè)重要的部分—高階分量，這就決定了最后的建模還是較為復(fù)雜的，會(huì)使誤差分量的區(qū)別軟件也會(huì)因此變得更為復(fù)雜，不過(guò)對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，還是具有主動(dòng)性的，可以根據(jù)自己的意愿最終決定出所需要的計(jì)算復(fù)雜難度大小。

4 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度穩(wěn)定性誤差的檢測(cè)方法分析

4.1 基準(zhǔn)棒-單向微位移法

這種方法主要采用的是市面上銷售的接觸式位移計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，見(jiàn)圖1，這種裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝夾在主軸之上的圓柱型基準(zhǔn)棒和設(shè)置在雙向工作臺(tái)“回轉(zhuǎn)軸”上各個(gè)參考點(diǎn)之間的距離變化進(jìn)行測(cè)定，它的測(cè)量精度一般不是特別的準(zhǔn)確，很容易受到其他影響因素的干擾，例如基準(zhǔn)棒的圓度、機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)的精度、接觸點(diǎn)的振動(dòng)等方面。

圖1 接觸式位移計(jì)圖

4.2 全周電容-圓球法

這種方法的精度十分好，從它的結(jié)構(gòu)構(gòu)造來(lái)看，它的總的裝置是由裝夾在主軸之上的鋼球來(lái)進(jìn)行環(huán)繞的，借此作用來(lái)實(shí)現(xiàn)在雙向工作臺(tái)上的另一鋼球回轉(zhuǎn)進(jìn)行固定，同時(shí)作圓插補(bǔ)動(dòng)作，這就可以有效的確保兩個(gè)鋼球能夠直接作為電容的兩個(gè)極，那么這兩個(gè)鋼球之間的間隙變化就說(shuō)明了圓插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡是否正確良好。

4.3 四連桿機(jī)構(gòu)

它的兩個(gè)鉸節(jié)點(diǎn)位置是處于主軸頭和工作臺(tái)之上的，對(duì)于它的兩個(gè)鉸節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位移的變化主要是通過(guò)兩個(gè)不同的元件進(jìn)行的，即電容測(cè)微儀和激光-光敏元件，然后再得到圓運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，但是，這種方法也存在一個(gè)缺陷就是它的測(cè)量靈活度常常是不穩(wěn)定的。

4.4 雙連桿-角編碼法

所謂的雙連桿-角編碼法，就是在兩連桿機(jī)構(gòu)中，它的一端在角編碼器的作用下實(shí)現(xiàn)了相互之間的鉸鏈后，對(duì)于它的后一個(gè)連桿另一端來(lái)說(shuō)，和前者相差不多也是以此種形式進(jìn)行雙向工作臺(tái)安裝的。不過(guò)不同的是，由于兩個(gè)連桿的臂長(zhǎng)的長(zhǎng)度是固定不變的，則對(duì)于工作臺(tái)的圓插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，它所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡的極坐標(biāo)方程是會(huì)和實(shí)際的位置有一定的差異，可以根據(jù)兩個(gè)角編碼器的讀數(shù)進(jìn)行測(cè)量得出，這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單且價(jià)格成本也較低。

4.5 雙球規(guī)法

它的主要裝置的形式是采用兩個(gè)較為精密的金屬圓球以及能夠進(jìn)行相對(duì)伸縮的兩個(gè)套管來(lái)一起完成的，在它的套管內(nèi)部安裝有一個(gè)微位移計(jì)，并且它的兩個(gè)金屬鋼球在它的兩端部分都設(shè)置有一個(gè)具有磁性特性的凹球吸座，它的一端是直接吸附在雙向的工作臺(tái)上，另一端是裝夾在它的工作主軸上。對(duì)于工作臺(tái)來(lái)說(shuō)，如果做相對(duì)于主軸的圓插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，那么內(nèi)藏式的位移計(jì)就可以順利的通過(guò)這兩個(gè)鋼球之間，而它的實(shí)際距離變化則又可以反映出它所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡的精度信號(hào)，如果機(jī)床是正常的，那么軌跡就是無(wú)畸變的真圓，反之便不是。

5 總 結(jié)

數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，并且也有良好的應(yīng)用效果，針對(duì)于它在應(yīng)用中出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)精度穩(wěn)定性的誤差現(xiàn)象需要根據(jù)誤差的產(chǎn)生原因，采取正確的方法進(jìn)行改進(jìn)和檢測(cè)，進(jìn)而提高它的運(yùn)動(dòng)精度穩(wěn)定性。

［1］ 趙萬(wàn)華，張 俊，劉 輝，等.數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)新方法［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2013（01）：93-98.

［2］ 朱曉庚，王其勛，陳 林，等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的精度分析［J］.機(jī)械，2013（02）：66-70.

［3］ 柳 青.失動(dòng)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度影響的分析［J］.裝備制造技術(shù)，2010（05）：14-15.

［4］ 蔡曉華，杜正春.五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度診斷評(píng)述［J］.機(jī)床與液壓，2013（21）：149-152.

［5］ 徐永智，王莉靜.數(shù)控機(jī)床檢測(cè)技術(shù)綜述［J］.安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（06）：18-19.

［6］ 劉文化.數(shù)控機(jī)床加工精度成因及綜合分析［J］.金屬加工（冷加工），2011（02）：53-55.