數(shù)控機床直線軸不同控制方式熱誤差

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摘要：首先，對數(shù)控機床直線軸的不同控制方式進行了介紹，并分別對全閉環(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)形式進行了描述。其次，為了揭示數(shù)控機床直線軸在不同控制方式的熱誤差的真實表現(xiàn)規(guī)律，進行了直線軸熱誤差測試實驗的設計。最后，實施了測試實驗，得到真實狀態(tài)下的熱誤差數(shù)據(jù)曲線，并對相關的實驗結果進行了分析。通過對實驗結果的分析，較好地揭示了不同控制方式的熱誤差真實表現(xiàn)和規(guī)律，為熱誤差的研究提供了實驗依據(jù)。

關鍵詞：直線軸控制方式；熱誤差表現(xiàn)形式；熱誤差測試；

0前言

數(shù)控機床直線軸在運動過程中，會受到運動摩擦升溫以及機床所處的環(huán)境溫度變化的影響，將在直線運動方向上發(fā)生熱變形而導致誤差的產(chǎn)生，此誤差即認為是機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床的熱誤差引起[1-5]。而且其對機床直線方向的運動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床直線軸熱誤差規(guī)律。本文通過在不同的控制方式下，對機床直線軸的熱誤差表現(xiàn)形式進行闡述和進行熱誤差測試實驗，并依據(jù)測試結果進行了對比分析，為機床的直線軸的熱誤差研究提供重要的實驗依據(jù)。

1進給軸不同的控制方式的熱誤差表現(xiàn)形式

目前，數(shù)控機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)控機床直線軸主要采用伺服電機本身內(nèi)置的編碼器作為位置反饋，并通過驅(qū)動絲杠-螺母副傳遞運動，實現(xiàn)機床工作臺的軸向位置移動，參與傳動的絲杠-螺母副未包含于機床的控制閉環(huán)內(nèi)。在數(shù)控機床的半閉環(huán)控制方式下，直線軸熱誤差主要表現(xiàn)為直線軸傳動副中的絲杠受到溫升變化的影響出現(xiàn)熱伸長變形，使得其自身螺距改變，從而產(chǎn)生熱伸長誤差，使得工作臺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)運動產(chǎn)生的熱量等。在全閉環(huán)控制方式下，數(shù)控機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，將參與運動的絲杠-螺母副、軸承座、工作臺等所有與發(fā)熱傳動的相關慣性結構都囊括在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)，能夠?qū)?shù)控機床運動的位移進行直接測量和校驗，可以盡最大努力改善和減小機械上的制造缺陷及絲杠受熱伸長的影響所導致的位置誤差。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有熱變形產(chǎn)生，將對機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床運動部位受到部件傳導熱的影響，位置反饋元件發(fā)生熱膨脹，致使機床直線軸產(chǎn)生熱誤差。特別是當帶有光柵尺的機床處于晝夜或季節(jié)溫差較大的場所內(nèi)時，將更大程度地影響機床的定位精度。同時，光柵尺本身也具有一定結構，如鋁制外殼、粘結層和玻璃光柵等，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存在一定的非線性。

2進給軸不同控制方式的熱誤差測試實驗

為了充分驗證數(shù)控機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狀態(tài)，對直線軸不同控制方式熱誤差測試熱進行實驗設計。采用某型號三軸加工中心開展實驗。測試的場所無恒溫控制。利用機床X向直線軸進行實驗，其伺服機構絲杠為電機側軸承固定、遠端的另一側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部件。機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現(xiàn)。具體的熱誤差測試實驗采用雷尼紹的XL80激光干涉儀對X軸進行熱誤差測試。測試時，不加激光干涉儀本身的材料溫度校驗的溫度傳感器，并手動設置采集軟件中的“溫度補償”的溫度，設定為20℃，目的為了采集軟件不做結果的修正，測試直線軸當前溫度下的實際位置誤差，而非經(jīng)過結果修正得到的20℃下的折算誤差。測試現(xiàn)場如圖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試說明測試實驗流程為：（a）首先使光柵尺反饋失效，在X軸冷態(tài)下，測試X軸在0～1000mm的初始冷態(tài)的定位誤差，同時對溫度傳感器測量的溫度值進行記錄。（b）之后將X軸在0～1000mm坐標行程內(nèi)以10m/min的快移速度進行往復拉伸運動。（c）X軸拉伸運動停止后，測試1組X軸的定位誤差，同時對溫度傳感器的溫度值進行記錄，共7次。（d）重復以上（b）步驟、（c）步驟，直到X軸單位時間內(nèi)熱誤差幾乎不變。（e）將X軸在固定端附近停止（0mm坐標位置），自然冷卻，每10min間隔測量1組機床的定位誤差，和對溫度傳感器的溫度值進行記錄。共4次。全閉環(huán)控制方式的熱誤差測試，則在光柵尺反饋生效的狀態(tài)下重復上述實驗流程直至測試完成。

3進給軸熱誤差數(shù)據(jù)分析

圖2給出了機床采用半閉環(huán)控制方式時的X軸熱誤差和溫度結果。通過圖2可以看出，X軸在半閉環(huán)控制方式下熱誤差結果相當大，在全程的最遠點的熱誤差為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軸各個測試點上的定位誤差均有顯著的變化，以測試起點位置為基準隨著距離的增大各點絲杠都發(fā)生熱伸長，這說明絲杠在環(huán)境溫度變化影響的同時，還存在由于自身伺服結構運動摩擦溫升作用產(chǎn)生的熱伸長，而且自身運動的摩擦升溫是產(chǎn)生熱誤差的主要原因。依據(jù)以往測試經(jīng)驗，半閉環(huán)控制方式的運動溫升主要來自絲杠-螺母副的摩擦生熱。為了對比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。以相同測試參數(shù)進行熱誤差測試，測試結果如圖3所示。從圖3可以看出，直線軸熱誤差變化相對較小，在全程的最遠點的熱誤差為21.2μm左右。通過溫度變化結果可知，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，相接近于實際的實驗結果，說明配備光柵尺的直線軸其熱誤差產(chǎn)生的主要原因為環(huán)境溫度變化影響的光柵尺出現(xiàn)的熱變形。同時，激光干涉儀測量的各點定位誤差也存在一定的非線性，尤其在行程最遠點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點靠近直線軸伺服電機端，電機的發(fā)熱對光柵尺局部溫升有一定影響導致的。綜合不同控制方式的熱誤差測試結果可以分析出，機床直線軸在全閉環(huán)控制方式下，機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。但光柵尺也會受到環(huán)境溫度影響或者位置靠近絲杠運動部位而受到熱輻射影響產(chǎn)生熱誤差。對于較高精度要求的機床，配備光柵尺還是需要遠離機床局部的發(fā)熱源，保證光柵尺溫度均勻性，并對其進行溫升控制，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結論

本文首先對數(shù)控機床直線軸的不同控制方式的熱誤差表現(xiàn)進行闡述，并設計和實施了驗證熱誤差表現(xiàn)規(guī)律的相關測試實驗，得到真實狀態(tài)下的熱誤差數(shù)據(jù)曲線，然后對實驗結果進行分析得到：1、機床直線軸半閉環(huán)控制方式下，機床熱誤差主要由環(huán)境溫升和運動溫升導致的，伺服結構的運動為熱誤差產(chǎn)生的主要原因。全閉環(huán)控制方式下，機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、機床直線軸在全閉環(huán)控制方式下，機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。本文的相關研究結果和總結的直線軸不同控制方式的熱誤差變化規(guī)律對工程實際的具有指導意義。

作者:吳玉亮 單位:沈陽機床(集團)有限責任公司