于鐸 張鵬

摘要：進給運動同主運動一道實現工件的成形。隨著切削速度的提高對進給軸的速度、加速度以及精度提出越來越高的要求。因此，進給軸的設計、制造質量對于數控機床十分重要。在本文中作者結合多年工作經驗，總結和分析了數控機床進給軸設計中的功能參數、檢驗指標和發(fā)展趨勢。

關鍵詞：數控機床;進給軸;參數指標;發(fā)展趨勢

1? 進給軸的功能參數及指標

①快移速度Vq（米/分）：指機床的刀架或工作臺最大移動速度。目前一般在10～20米/分，高一些的為40～60米/分，個別的已達到80～100米/分以上。該速度用于完成空行程，可單軸或多軸聯動以縮短輔助時間。對運動過程的軌跡不感興趣，但看重運動終點的精度，如定位精度檢驗。

②加速度a（米/秒2）：指運動部件由靜止到加速至最大移動速度Vq過程中速度的增量。當Vq發(fā)展到20米/分以上時，人們認識到如果只提高速度Vq，而加速度a（米/秒2）不變，就不能取得明顯效果[1]。上世紀80年代加速度a為0.3g，目前較高水平是1～1.5g（g=9.8米/秒2）。

③進給速度F（米/分）：刀具運動的軌跡以速度F成型工件的形狀，即運動精度直接影響被加工件的“輪廓精度”。因為傾斜的直線和曲線運動的軌跡通常是由兩或三個坐標方向微小的直線段合成（插補）的，故工件表面的輪廓精度不僅取決于進給軸的運動精度，還與進給速度F的快慢、插補的采樣時間t、加速度a、以及數控系統位置環(huán)的增益有關。

④軸向最大進給力P（牛）：為克服切削抗力輸出的最大軸向力。它不僅是設計進給系統的重要依據，也是選定主軸定位軸承的依據。

2? 檢驗指標

2.1 位置精度[2]：由三個分項組成

重復定位精度R：性質屬于偶然誤差，特點是誤差每次出現沒有一定的規(guī)則，誤差的統計規(guī)律服從正態(tài)分布。取R=6Smax（Smax—機床檢驗時目標點中最大的標準偏差）。主要由各處的間隙、摩擦力和彈性變形構成。

反向偏差B：主要產生在絲杠/螺母及其支承處。伴隨部件運動方向的改變（負載力的方向也隨之改變）而出現的正、反偏移的差值（間隙或變形）。取B=Bmax（Bmax—目標點中最大的正反向偏差值）。

定位精度A：具體計算方法可以認為：A≈R+B+ΔL。

ΔL—進給絲杠的螺距累積誤差，因為它是一個常量，可借助計算機通過控制系統（CNC）進行修正。歐美國家1991年前數控車床X軸定位精度為15～20μm，重復定位精度±5μm;采用計算機補償技術后，定位精度達到±5μm，重復定位精度±1.0～2.0μm[3]。這項技術不是簡單地在測出誤差數據后，再利用數控系統的螺補功能手動補償（91年前曾采用次法）;這是由于測量和補償點有限，在補償過程中產生誤差的機會較多等缺點，因而對提高機床定位精度的作用有限。

2.2 單脈沖精度Δp

單脈沖，即機床的最小編程單位。普通級0.001mm，精密級0.0001mm?；瑒訉к墮C床因其摩擦系數大且存在動、靜差別，當發(fā)出一個脈沖當量指令時，常不產生移動或移動量不足，有時累計一定數量脈沖后突然前沖。單脈沖精度描述機床對一個脈沖當量的響應程度：

Δp=（單脈沖-實際移動量）/單脈沖

顯然，單脈沖精度Δp對工件的輪廓精度而言，意義重大。滾動導軌則情況有了極大改進，例日本大隈產LR系列，單脈沖為0.1μm。

Δp<5%，而且累積誤差不大于0.13μm[4]。

2.3 輪廓精度G18[2]：用球柄儀檢測。最大切削直徑<ф500的機床，試件檢測半徑R<100mm，允差0.01mm。還可以加選切削法（P5）。

2.4 尺寸精度

工件加工精度包括三個部分，即形狀和位置精度，表面粗糙度，尺寸精度。在加工過程中，唯尺寸精度變動是最大的，其余兩者相對穩(wěn)定。評價機床是否具備這一精度能力，是按照車床工作精度的統計檢驗方法進行的[5]。影響尺寸精度的因素主要是進給軸的位置精度、刀架的轉位精度、進給軸的熱伸長及主軸等各部位的熱變形。

3? 進給軸控制方式及發(fā)展趨勢

3.1 滾珠絲杠與直線電機

1958年滾珠絲杠首次出現在美國K&T公司生產的世界第一臺加工中心上，此后伴隨著數控機床不斷發(fā)展成為了一代王者，至今仍歷久不衰。但是隨著高速加工技術的發(fā)展與應用，這種傳統的驅動方式已日顯遜色，主要表現在剛度低、慣性大，非線性誤差嚴重，以及結構復雜、噪聲大、傳動效率低等。

1993年德國企業(yè)在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺帶有直線電機驅動的工作臺的高速加工中心，采用德國Indramat公司開發(fā)成功的感應式直線電動機（快移速度Vq=60米/分）。幾乎與此同時，美國一家公司在HVM-800型高速加工中心上采用了美國Anorad公司開發(fā)的永磁式直線電動機，工作臺的最大進給速度達到72.6米/分，一下子轟動了國際機床界和學術界[6]。直線電動機驅動的優(yōu)點：

①速度高80～120米/分，加速度2g～10g。

②定位精度高0.1～0.01μm，采用前饋控制的直線電動機系統可較滾珠絲杠減少跟蹤誤差200倍，因而在高速切削加工時獲得高精度?？梢灶A見的是，在未來直線電機驅動將是高精度加工中心的標準選擇。

③剛度高，是滾珠絲杠的2～3倍，它是獲得精確刀具軌跡和良好表面質量的保證。

④噪聲低、行程不受限制可以做的很大。

當然直線電機驅動并不是完美無缺，在現有技術仍存在著較大的局限性：直線電機驅動技術尚不成熟、且價貴，遠不如滾珠絲杠便宜;加工硬金屬時存在粉塵和磁場防護等問題，是否使用則根據設備價格、精度、使用環(huán)境的條件來選擇。

3.2 半閉環(huán)與閉環(huán)

這兩者，就其控制的本質而言都屬于同樣的自動控制系統，差別只是檢測裝置的安裝位置不同。前者反饋的信號從伺服電機或絲杠的前端發(fā)出，一般不易產生振蕩，應用較為普遍;而后者則從執(zhí)行部件發(fā)出。在滾珠絲杠驅動時，因絲杠是彈性元件，運動部件是一質量，故而構成振蕩環(huán)節(jié);所以，閉環(huán)系統更容易產生振蕩。直線電機是“零傳動”的全閉環(huán)系統，沒有振蕩環(huán)節(jié)，故穩(wěn)定性好、精度高。

絲杠驅動的全閉環(huán)系統適于剛性較好的中小型車床，一般效果較好。對于長床身的車床，因絲杠長、剛度低容易產生振蕩，故多采用混合控制（半閉環(huán)控制很快將電機軸定位在指令位置上，而由閉環(huán)控制完成精定位）。

使全閉環(huán)系統降低精度的因素如下：

①反饋元件與主軸中心（刀尖）不在一條直線，床身和滑板導軌的不直度都會以阿貝誤差的形式影響定位精度。

②間隙和失動量一般應控制在4μm以內。

③長的光柵尺安裝后，一定要經自校準后才使用。

4? 結束語

通過上述理論說明，使我們對機床的進給軸的概念、特點、發(fā)展、檢驗方法及發(fā)展趨勢有了一定認識，相信能為機床設計人員更好的設計機床進給軸提供幫助。

參考文獻：

[1]艾興.高速切削技術和刀具材料現狀與展望[J].世界制造技術與裝備市場，2001（3）.

[2]GB/T16462—1996，數控臥式車床精度檢驗[S].國家技術監(jiān)督局.

[3]運用計算機技術提高機床的精度[J].制造技術與機床，95，8.

[4]日本大隈產LR系列樣本.巴黎歐展會.1991.

[5]車床工作精度的統計檢驗VDI/DGQ3442.機械工業(yè)標準化（總第107期），1977，3.

[6]張伯霖.高速切削技術及應用[M].機械工業(yè)出版社，2002.