技術專欄
2019.01.15

數控機床加工精度靠什么來保證?

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

 

幾何精:又稱靜態精度,是綜合反映數控機床關鍵零部件經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控裝置控制下,運動所能達到的精度。根據實測的定位精度數值,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。  

 

重復定位精度:是指在數控機床上反復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(同一臺數控機床上,操作方法不同,應用同一零件程序)加工一批零件所得到的連續結果的一致程度。  

 

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,全閉環等,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。

 

 

一、原理介紹    

 

數控機床運動鏈包括數控裝置→伺服編碼器→伺服驅動器→電機→絲杠→移動部件,根據位置檢測裝置安裝位置不同,分為全閉環控制、半閉環控制、開環控制。 

 

 1、全閉環控制進給伺服系統   

 

將位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應同步器等)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,通過數控系統處理后將機床狀態告知伺服電機,伺服電機通過系統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節放在閉環內,調試時,其系統穩定狀態調試比較麻煩。另外像光柵尺、直線感應同步器這類測量裝置價格較高,安裝復雜,有可能引起振蕩,所以一般機床不使用全閉環控制。  

 

2、半閉環控制進給伺服系統  

 

將位置檢測裝置安裝在驅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角,間接測出機床運動部件的實際位置,經反饋送回控制系統。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,半閉環數控機床已能達到相當高的進給精度。大多數的機床廠家廣泛采用了半閉環數控系統。

 

二、 實際應用 

 

1、全閉環控制系統    

位置檢測裝置(如光柵尺、直線感應同步器等)有不同精度等級(±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm),所以全閉環控制也會有誤差,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,熱膨脹系數與機床各部件不一致,它是機床工作精確度的關鍵環節,所以必須要解決機床加工過程中的發熱問題,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,越靠近驅動軸線(絲杠副),測量越準確。由于受結構空間限制,光柵尺的安裝方式只有兩種,一種是安裝在近絲杠副側,另一種是安裝在導軌外側。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動軸線,但是安裝位置畢竟與驅動軸線有一定距離,這一點距離和驅動時物體的擺動相結合后,對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當驅動物體向光柵尺安裝側擺動時,光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足,系統則給出加速信號,而驅動物體馬上向另一側擺動,光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快,系統則給出減速信號,這樣反反復復運行,居然沒有改善數控機床各線性坐標軸的控制,反而加劇了驅動物體的振動,導致了全閉環不如半閉環的奇特現象。 

 

 生產環境影響:一般機械加工工廠環境比較惡劣,灰塵、振動是常見現象,但光柵尺、直線感應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、直線感應同步器影響非常大。所以要使用全閉環控制系統,除了做好安裝密封外,一定要提高生產環境。否則,就會出現這種現象,剛來的新機床精度不錯,但用了不到一年,不但精度下降,機床還經常報警。 

 

2、半閉環控制系統

由于將測量裝置安裝在電機或絲杠頂端,比較容易密封,所以對環境沒有要求。半閉環控制系統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。另外在裝配環節,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。所以目前半閉環控制系統已經能夠保證機床達到很高的精度。 

 

三、 結論      

 

綜上所述可以看出,在理論上,如果不考慮外部因素,全閉環控制比半閉環控制可能會提高基礎的定位精度。但如果不能很好的解決機床發熱、環境污染、溫升、振動、安裝等因素,會出現全閉環不如半閉環的現象。短時間內可能會有效果,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據,從而失去作用。同時光柵尺出現問題后,會產生報警,造成機床不能工作。     

 


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