高精度数控机床伺服进给系统精度研究

0 引言

数控机床是机电一体化的高技术产品。它的出现是20世纪中期计算机技术、微电子技术和自动化技术发展的结果，其为机械制造业带来了一场深刻的革命川。它使得高效、高精度和复杂曲面的加工成为了可能。数控机床中的核心部分是微机控制系统，功能的执行部分是伺服进给系统，其加工精度主要取决于伺服进给系统。这些年虽然在设计及制造中积累了一定的经验，但如何提高数控机床伺服进给系统的精度一直是一个未彻底解决的问题。另外，从北京每年举办的国际机床展览会上可以看出，国外机床的伺服进给系统无论从加工工件的精度和加工效率，还是可靠性上，均高于国内机床。由此造成了国内数控机床市场中附加值比较高的高档机床基本上被国外机床厂家垄断。因此，对伺服进给系统精度进行研究对于数控机床进一步的发展，特别是对实现高精度数控机床的国产化具有重要的意义。

1 伺服进给系统误差组成

　　数控机床的伺服进给系统由拖板、滑板、X轴和Z轴的滚珠丝杠、支架和伺服电机组成，其主要功能是带动刀架系统产生X轴和Z轴的运动，使刀具沿设定的轨迹运动，以完成所需的加工作业。可按驱动原理和调解理论对其进行分类拉t。就传统的数控机床伺服系统而言。设计阶段仅仅是定性的知道某些因素对机床精度有一定的影响，如丝杠的刚度、微机控制系统的增益、移动部件重量、轴承类型、进给摩擦力等，没有显示的数学关系：面在装配调试阶段需要对众多的参数进行调整，如数字控制系统的增益、丝杠轴承预紧力的大小、把板预紧力的大小、齿轮侧隙的大小等，且依靠工人的经验，主观性很强且通用性差；虽然为了保证出厂精度，每台机床在出厂前需使用激光干涉仪进行精度检测，但需要相当长的时间，这极大地影响了机床的装配调试效率。另外，实践中用户在使用过程中经常会出现机床进给系统精度不稳定，导致加工工件精度不稳定的问题。

　　数控机床伺服进给系统精度是通过误差的大小来反映的。所谓伺服进给系统误差就是伺服进给系统在稳态时，指令位置和实际位置之差，它反映了伺服迸给系统的稳态质量。一般数控机床伺服进给系统的误差主要通过对其定位精度和重复定位精度的测量来反映的。由于定位误差和重复定位误差是在同一次测量过程中得出的，而定位误差比重复定位误差的影响因素多，下面主要分析定位误差。

　　鉴于数控机床的机电结构和控制方式，伺服进给系统误差的来源可分为：机电系统自身制造误差、静态载荷变形误差和热变形误差。通常进行铡量时，机床发热量较小，7可以不考虑热变形引起的误差。

　　根据误差合成原理，我们可以将伺服进给系统定位过程中出现的误差表示为：

　　E1-数控系统误差。主要由系统时间响应引起的误差，如系统的定常跟踪误差，由系统频率特性决定的误差；

　　E2-定值误差。如传感元件的灵敏性产生的误差，机械机构的制造误差等；

　　E3-机械误差。如负载惯量、摩擦阻力、负载的干扰力、进给系统的传动刚度以及机械传动间隙等。其中伺服进给系统的传动刚度应由伺服电气系统刚度和机械传动机构刚度组成。

　　E1在运动过程中时时存在的误差，进给系统定位停止后，有几秒钟的停止，定常跟踪误差会变的很小，本文将其视为零；E2与伺服进给系统的零件制造和装配精度有关；而E3要取决于系统的动态特性，可以通过恰当的调整以减小其值，进而提高伺服进给系统的精度。

　　1.1 伺服进给系统定值误差

　　E2主要由机械传动间隙造成的死区误差Et、电气元器件自身造成的死区误差Ee、滚珠丝杠自身的制造误差Es组成：

　　运动部件反向时，会影响精度。但在机床反向时，数控系统设定了响应的反向补偿，从而E为定值；

　　数控机床电气系统一般选择灵敏度高、稳定性好的元件，且都要经过筛选和高温老化实验，死区误差被限制在很小的范围内。与机械传动装置相比，其影响较小，故Ee≈0；

　　大多厂商生产的滚珠丝杠都配有精度检验记录单，为消除随机误差影响，可以取各丝杠误差均值为Es。