數(shù)控機(jī)床直線軸不同控制方式熱誤差

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摘要：首先，對(duì)數(shù)控機(jī)床直線軸的不同控制方式進(jìn)行了介紹，并分別對(duì)全閉環(huán)控制方式下及半閉環(huán)控制方式下的直線軸熱誤差表現(xiàn)形式進(jìn)行了描述。其次，為了揭示數(shù)控機(jī)床直線軸在不同控制方式的熱誤差的真實(shí)表現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)行了直線軸熱誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。最后，實(shí)施了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到真實(shí)狀態(tài)下的熱誤差數(shù)據(jù)曲線，并對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，較好地揭示了不同控制方式的熱誤差真實(shí)表現(xiàn)和規(guī)律，為熱誤差的研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直線軸控制方式；熱誤差表現(xiàn)形式；熱誤差測(cè)試；

0前言

數(shù)控機(jī)床直線軸在運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)受到運(yùn)動(dòng)摩擦升溫以及機(jī)床所處的環(huán)境溫度變化的影響，將在直線運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生熱變形而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，此誤差即認(rèn)為是機(jī)床的直線軸的熱誤差。研究表明，40％～70％的加工工件幾何誤差由機(jī)床的熱誤差引起[1-5]。而且其對(duì)機(jī)床直線方向的運(yùn)動(dòng)的定位精度和精度穩(wěn)定性影響最大。為了研究在不同控制方式下的機(jī)床直線軸熱誤差規(guī)律。本文通過在不同的控制方式下，對(duì)機(jī)床直線軸的熱誤差表現(xiàn)形式進(jìn)行闡述和進(jìn)行熱誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為機(jī)床的直線軸的熱誤差研究提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1進(jìn)給軸不同的控制方式的熱誤差表現(xiàn)形式

目前，數(shù)控機(jī)床直線軸的最常見的控制方式有兩種，一種是半閉環(huán)控制方式，一種是全閉環(huán)控制方式。在半閉環(huán)控制方式下，數(shù)控機(jī)床直線軸主要采用伺服電機(jī)本身內(nèi)置的編碼器作為位置反饋，并通過驅(qū)動(dòng)絲杠-螺母副傳遞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺(tái)的軸向位置移動(dòng)，參與傳動(dòng)的絲杠-螺母副未包含于機(jī)床的控制閉環(huán)內(nèi)。在數(shù)控機(jī)床的半閉環(huán)控制方式下，直線軸熱誤差主要表現(xiàn)為直線軸傳動(dòng)副中的絲杠受到溫升變化的影響出現(xiàn)熱伸長(zhǎng)變形，使得其自身螺距改變，從而產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)誤差，使得工作臺(tái)上工件位置精度受到影響。絲杠溫升因素主要是環(huán)境溫度的變化和絲杠本身與螺母間的摩擦及軸承座支撐旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量等。在全閉環(huán)控制方式下，數(shù)控機(jī)床直線軸通過使用光柵尺這種通用的位置反饋器件來做位置反饋，將參與運(yùn)動(dòng)的絲杠-螺母副、軸承座、工作臺(tái)等所有與發(fā)熱傳動(dòng)的相關(guān)慣性結(jié)構(gòu)都囊括在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)，能夠?qū)?shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的位移進(jìn)行直接測(cè)量和校驗(yàn)，可以盡最大努力改善和減小機(jī)械上的制造缺陷及絲杠受熱伸長(zhǎng)的影響所導(dǎo)致的位置誤差。制造缺陷諸如絲杠間隙、軸承座位置誤差、部件制造誤差等。但光柵尺由于是玻璃或者碳鋼材質(zhì)（玻璃材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為8μm/(m×℃)，碳鋼材質(zhì)熱膨脹系數(shù)11.7μm/(m×℃），其本身受到溫度變化的作用也會(huì)有熱變形產(chǎn)生，將對(duì)機(jī)床的直線軸的定位精度產(chǎn)生影響。直線軸的熱誤差在數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)控制方式下，主要表現(xiàn)為直線軸的位置反饋部件如光柵尺等，受環(huán)境溫度變化和靠近機(jī)床運(yùn)動(dòng)部位受到部件傳導(dǎo)熱的影響，位置反饋元件發(fā)生熱膨脹，致使機(jī)床直線軸產(chǎn)生熱誤差。特別是當(dāng)帶有光柵尺的機(jī)床處于晝夜或季節(jié)溫差較大的場(chǎng)所內(nèi)時(shí)，將更大程度地影響機(jī)床的定位精度。同時(shí)，光柵尺本身也具有一定結(jié)構(gòu)，如鋁制外殼、粘結(jié)層和玻璃光柵等，這些零件的材質(zhì)各不相同，也具有不同的熱膨脹系數(shù)，使得光柵尺自身熱變形也會(huì)存在一定的非線性。

2進(jìn)給軸不同控制方式的熱誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了充分驗(yàn)證數(shù)控機(jī)床直線軸在不同控制方式下的熱誤差表現(xiàn)規(guī)律，以及反映直線軸不同控制方式熱誤差真實(shí)狀態(tài)，對(duì)直線軸不同控制方式熱誤差測(cè)試熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用某型號(hào)三軸加工中心開展實(shí)驗(yàn)。測(cè)試的場(chǎng)所無(wú)恒溫控制。利用機(jī)床X向直線軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其伺服機(jī)構(gòu)絲杠為電機(jī)側(cè)軸承固定、遠(yuǎn)端的另一側(cè)軸承支撐的安裝方式，X軸的行程大約為1100mm，最大快移速度允許36m/min。采用全閉環(huán)控制方式，通過海德漢的玻璃材質(zhì)的光柵尺作為位置反饋和檢測(cè)部件。機(jī)床不同控制方式的改變主要通過數(shù)控系統(tǒng)控制光柵尺失效和光柵尺生效來實(shí)現(xiàn)。具體的熱誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用雷尼紹的XL80激光干涉儀對(duì)X軸進(jìn)行熱誤差測(cè)試。測(cè)試時(shí)，不加激光干涉儀本身的材料溫度校驗(yàn)的溫度傳感器，并手動(dòng)設(shè)置采集軟件中的“溫度補(bǔ)償”的溫度，設(shè)定為20℃，目的為了采集軟件不做結(jié)果的修正，測(cè)試直線軸當(dāng)前溫度下的實(shí)際位置誤差，而非經(jīng)過結(jié)果修正得到的20℃下的折算誤差。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。在靠近光柵尺安裝部位周圍的床身附近布置磁吸式的高精度溫度傳感器（精度為0.1℃），指示光柵尺周圍的環(huán)境溫度變化。以半閉環(huán)控制方式的熱誤差的測(cè)試說明測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程為：（a）首先使光柵尺反饋失效，在X軸冷態(tài)下，測(cè)試X軸在0～1000mm的初始冷態(tài)的定位誤差，同時(shí)對(duì)溫度傳感器測(cè)量的溫度值進(jìn)行記錄。（b）之后將X軸在0～1000mm坐標(biāo)行程內(nèi)以10m/min的快移速度進(jìn)行往復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)。（c）X軸拉伸運(yùn)動(dòng)停止后，測(cè)試1組X軸的定位誤差，同時(shí)對(duì)溫度傳感器的溫度值進(jìn)行記錄，共7次。（d）重復(fù)以上（b）步驟、（c）步驟，直到X軸單位時(shí)間內(nèi)熱誤差幾乎不變。（e）將X軸在固定端附近停止（0mm坐標(biāo)位置），自然冷卻，每10min間隔測(cè)量1組機(jī)床的定位誤差，和對(duì)溫度傳感器的溫度值進(jìn)行記錄。共4次。全閉環(huán)控制方式的熱誤差測(cè)試，則在光柵尺反饋生效的狀態(tài)下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)流程直至測(cè)試完成。

3進(jìn)給軸熱誤差數(shù)據(jù)分析

圖2給出了機(jī)床采用半閉環(huán)控制方式時(shí)的X軸熱誤差和溫度結(jié)果。通過圖2可以看出，X軸在半閉環(huán)控制方式下熱誤差結(jié)果相當(dāng)大，在全程的最遠(yuǎn)點(diǎn)的熱誤差為65.3μm。依據(jù)碳鋼材料的熱膨脹系數(shù)11.7μm/℃，再根據(jù)機(jī)床環(huán)境溫度的變化圖來看，環(huán)境溫度只變化了0.6℃，熱誤差的最大值不僅僅是只有環(huán)境溫度因素影響的，而且在X軸各個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的定位誤差均有顯著的變化，以測(cè)試起點(diǎn)位置為基準(zhǔn)隨著距離的增大各點(diǎn)絲杠都發(fā)生熱伸長(zhǎng)，這說明絲杠在環(huán)境溫度變化影響的同時(shí)，還存在由于自身伺服結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)摩擦溫升作用產(chǎn)生的熱伸長(zhǎng)，而且自身運(yùn)動(dòng)的摩擦升溫是產(chǎn)生熱誤差的主要原因。依據(jù)以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，半閉環(huán)控制方式的運(yùn)動(dòng)溫升主要來自絲杠-螺母副的摩擦生熱。為了對(duì)比X軸半閉環(huán)控制產(chǎn)生的熱誤差與全閉環(huán)控制帶光柵尺的熱誤差表現(xiàn)形式，使X軸光柵尺生效。以相同測(cè)試參數(shù)進(jìn)行熱誤差測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，直線軸熱誤差變化相對(duì)較小，在全程的最遠(yuǎn)點(diǎn)的熱誤差為21.2μm左右。通過溫度變化結(jié)果可知，光柵尺的溫度變化為2℃左右，根據(jù)玻璃光柵尺的膨脹率為8μm/(m×℃)），其產(chǎn)生的熱誤差，理論上大約為16μm，相接近于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明配備光柵尺的直線軸其熱誤差產(chǎn)生的主要原因?yàn)榄h(huán)境溫度變化影響的光柵尺出現(xiàn)的熱變形。同時(shí)，激光干涉儀測(cè)量的各點(diǎn)定位誤差也存在一定的非線性，尤其在行程最遠(yuǎn)點(diǎn)附近變化量明顯有放大的狀態(tài)，究其原因主要是由于最遠(yuǎn)點(diǎn)靠近直線軸伺服電機(jī)端，電機(jī)的發(fā)熱對(duì)光柵尺局部溫升有一定影響導(dǎo)致的。綜合不同控制方式的熱誤差測(cè)試結(jié)果可以分析出，機(jī)床直線軸在全閉環(huán)控制方式下，機(jī)床直線軸的熱誤差要小于半閉環(huán)控制方式產(chǎn)生的熱誤差，光柵尺作為位置直接反饋對(duì)于直線軸精度穩(wěn)定性還是具有較大作用的，有利于直線軸定位精度的穩(wěn)定性。但光柵尺也會(huì)受到環(huán)境溫度影響或者位置靠近絲杠運(yùn)動(dòng)部位而受到熱輻射影響產(chǎn)生熱誤差。對(duì)于較高精度要求的機(jī)床，配備光柵尺還是需要遠(yuǎn)離機(jī)床局部的發(fā)熱源，保證光柵尺溫度均勻性，并對(duì)其進(jìn)行溫升控制，最好置于恒溫環(huán)境中使其產(chǎn)生熱誤差的不利影響降到最低。

4結(jié)論

本文首先對(duì)數(shù)控機(jī)床直線軸的不同控制方式的熱誤差表現(xiàn)進(jìn)行闡述，并設(shè)計(jì)和實(shí)施了驗(yàn)證熱誤差表現(xiàn)規(guī)律的相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到真實(shí)狀態(tài)下的熱誤差數(shù)據(jù)曲線，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到：1、機(jī)床直線軸半閉環(huán)控制方式下，機(jī)床熱誤差主要由環(huán)境溫升和運(yùn)動(dòng)溫升導(dǎo)致的，伺服結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)為熱誤差產(chǎn)生的主要原因。全閉環(huán)控制方式下，機(jī)床熱誤差主要是由于光柵尺受到環(huán)境溫度影響產(chǎn)生的；2、機(jī)床直線軸在全閉環(huán)控制方式下，機(jī)床直線軸的熱誤差要小于半閉環(huán)控制方式產(chǎn)生的熱誤差，光柵尺作為位置直接反饋對(duì)于直線軸精度穩(wěn)定性還是具有較大作用的，有利于直線軸定位精度的穩(wěn)定性。本文的相關(guān)研究結(jié)果和總結(jié)的直線軸不同控制方式的熱誤差變化規(guī)律對(duì)工程實(shí)際的具有指導(dǎo)意義。

作者:吳玉亮 單位:沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司