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技術(shù)專欄
2019.01.15

數(shù)控機床加工精度靠什么來保證?

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數(shù)控機床的加工精度最終要靠機床本身的精度來保證,數(shù)控機床精度包括幾何精度、定位精度、重復(fù)定位精度和切削精度。  

 

幾何精:又稱靜態(tài)精度,是綜合反映數(shù)控機床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。 

 

定位精度:是表明所測量的機床各運動部位在數(shù)控裝置控制下,運動所能達到的精度。根據(jù)實測的定位精度數(shù)值,可以判斷出機床自動加工過程中能達到的最好的工件加工精度。是指零件或刀具等實際位置與標準位置(理論位置、理想位置)之間的差距,差距越小,說明精度越高。是零件加工精度得以保證的前提。  

 

重復(fù)定位精度:是指在數(shù)控機床上反復(fù)運行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。是在在相同條件下(同一臺數(shù)控機床上,操作方法不同,應(yīng)用同一零件程序)加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。  

 

切削精度:是對機床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項綜合檢查。  

 

由上述可見,數(shù)控機床精度的高低分機械和電氣兩個方面,機械方面如主軸精度,如跳動、母線等;絲杠的精度;加工時夾具的精度,機床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環(huán),全閉環(huán)等,還有反饋和補償方式、加工時的插補精度等。所以機床精度高低并不取決于機床是不是全閉環(huán)。

 

 

一、原理介紹    

 

數(shù)控機床運動鏈包括數(shù)控裝置→伺服編碼器→伺服驅(qū)動器→電機→絲杠→移動部件,根據(jù)位置檢測裝置安裝位置不同,分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。 

 

 1、全閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)   

 

將位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)安裝在機床運動部件(如工作臺)上,并對移動部件位置進行實時的反饋,通過數(shù)控系統(tǒng)處理后將機床狀態(tài)告知伺服電機,伺服電機通過系統(tǒng)指令自動進行運動誤差的補償。但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi),調(diào)試時,其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。另外像光柵尺、直線感應(yīng)同步器這類測量裝置價格較高,安裝復(fù)雜,有可能引起振蕩,所以一般機床不使用全閉環(huán)控制。  

 

2、半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)  

 

將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機的端部或是絲桿的端部,用來檢測絲杠或伺服馬達的回轉(zhuǎn)角,間接測出機床運動部件的實際位置,經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。由于機械制造水平的提高及速度檢測元件和絲桿螺距精度的提高,半閉環(huán)數(shù)控機床已能達到相當高的進給精度。大多數(shù)的機床廠家廣泛采用了半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

 

二、 實際應(yīng)用 

 

1、全閉環(huán)控制系統(tǒng)    

位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等)有不同精度等級(±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm),所以全閉環(huán)控制也會有誤差,定位精度高低受精度等級影響。  

 

位置檢測裝置熱性能(熱變形),測量裝置一般是非金屬材料,熱膨脹系數(shù)與機床各部件不一致,它是機床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié),所以必須要解決機床加工過程中的發(fā)熱問題,以克服由于溫度引起的熱變形。高端機床會采用各種方式,如絲杠中空冷卻、導(dǎo)軌潤滑、切削液恒溫冷卻等方式來降低機床加工過程中的熱變形。 

 

位置檢測裝置安裝也十分重要,理論上,越靠近驅(qū)動軸線(絲杠副),測量越準確。由于受結(jié)構(gòu)空間限制,光柵尺的安裝方式只有兩種,一種是安裝在近絲杠副側(cè),另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。推薦盡可能選取第一種安裝方式,但檢修和維護不方便。反之,選擇了高精度的光柵尺,而實際沒有達到數(shù)控機床所要求的精度。即使第一種情況,光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動軸線,但是安裝位置畢竟與驅(qū)動軸線有一定距離,這一點距離和驅(qū)動時物體的擺動相結(jié)合后,對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當驅(qū)動物體向光柵尺安裝側(cè)擺動時,光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足,系統(tǒng)則給出加速信號,而驅(qū)動物體馬上向另一側(cè)擺動,光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快,系統(tǒng)則給出減速信號,這樣反反復(fù)復(fù)運行,居然沒有改善數(shù)控機床各線性坐標軸的控制,反而加劇了驅(qū)動物體的振動,導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。 

 

 生產(chǎn)環(huán)境影響:一般機械加工工廠環(huán)境比較惡劣,灰塵、振動是常見現(xiàn)象,但光柵尺、直線感應(yīng)同步器屬于精密元器件,工作原理是靠光的反射來測量相對移動位置,灰塵、振動恰恰是影響測量精度的最大因素。另外,機床在加工時,切削油霧、水霧比較嚴重,對光柵尺、直線感應(yīng)同步器影響非常大。所以要使用全閉環(huán)控制系統(tǒng),除了做好安裝密封外,一定要提高生產(chǎn)環(huán)境。否則,就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象,剛來的新機床精度不錯,但用了不到一年,不但精度下降,機床還經(jīng)常報警。 

 

2、半閉環(huán)控制系統(tǒng)

由于將測量裝置安裝在電機或絲杠頂端,比較容易密封,所以對環(huán)境沒有要求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度誤差主要取決于絲杠的正反向間隙。隨著機械加工工藝的提高,目前進口絲杠的制造工藝水平較高,高精度的絲杠副配合基本消除了正反向間隙。另外在裝配環(huán)節(jié),絲杠副采用雙列反向滾珠絲杠副,可以完全消除正反向間隙。另外,很多機床廠,在機床裝配時,將絲杠采用預(yù)拉伸方式,消除了機床熱變形對絲杠傳動精度的影響。所以目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠保證機床達到很高的精度。 

 

三、 結(jié)論      

 

綜上所述可以看出,在理論上,如果不考慮外部因素,全閉環(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會提高基礎(chǔ)的定位精度。但如果不能很好的解決機床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動、安裝等因素,會出現(xiàn)全閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時間內(nèi)可能會有效果,但時間一長,灰塵、溫度變化對光柵尺的影響,將嚴重影響測量反饋數(shù)據(jù),從而失去作用。同時光柵尺出現(xiàn)問題后,會產(chǎn)生報警,造成機床不能工作。     

 


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