数控机床精度评价新方法_赵万华

数控机床精度评价新方法

2

赵万华1，，张

2

俊1，，刘

22

辉1，，杨晓君1，

（1.西安交通大学机械工程学院，西安710049；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049）

[摘要]传统的定位精度与重复定位精度等指标是在准静态下评价数控机床（CNC）性能的，无法反映数控机

床在运动和加工过程中的精度。首先从数控机床的数控、伺服、机械等环节在服役态下所表现出来的性能出发，提出一种对数控机床更有针对性的，以运动精度为指标的机床精度评价新方法，通过数控指令与运动轴实际位移的符合程度即运动精度来评价机床精度，然后给出了具体的评价指标，并提出了评价指标的测量方法。分析表明，这种新的机床运动精度描述评价方法能够系统、全面地评价数控机床关键性能的优劣。最后从数控、伺服和机械角度分别阐述了影响运动精度的因素。[关键词]

数控机床；运动精度；评价指标；影响因素

TG659

[文献标识码]

A[文章编号]

1009-1742（2013）01-0093-06

[中图分类号]

1前言

高速数控机床的高速、高加速度运动对伺服控

制提出了更高的要求，如更高的控制带宽、更大的调速范围、更短的控制周期和测量周期等；而且大幅值、高频宽的驱动力、惯性力、切削力会激励起机械系统显著以及更高频率的振动。这使得由以上因素所引起的误差远超过其他误差（几何误差、热误差）而成为主导误差[1，2]。同时由于工作条件的极端化，高速数控机床中控制-伺服驱动-机械间的多层次相互作用，即机电耦合行为更加突出，成为考察上述误差时必须考虑的重要因素[3]。但目前在数控机床研究中缺乏这方面的准确定义和系统的机理分析与权威的测量评价方法。

此外，在工程应用中，一般利用定位精度和重复定位精度来评价数控机床运动过程的精度，这是一种准静态的测量评价方法，无法表征数控机床在运动中的瞬态过程（启停、加减速、换向等）和稳态过程中的机床精度，尤其是随着对数控机床进给速度和精度要求的提高，这种准静态的测量方法和评价指标的弊病和不足就更加明显。为此本文首先

[收稿日期][基金项目]

2012-10-10

从数控机床的数控、伺服、机械等环节在服役态下所表现出来的性能出发，提出一种对数控机床更有针对性的，以运动精度为指标的机床精度评价新方法，通过数控指令与运动轴实际位移的符合程度即运动精度来评价机床精度，然后给出了具体的评价指标，并提出了评价指标的测量方法。分析表明，这种新的机床运动精度描述评价方法能够系统全面地评价数控机床关键性能的优劣。最后从数控、伺服和机械角度分别阐述了影响运动精度的因素。

2数控机床精度分类及运动精度的定义

从外在表现来看，机床精度可以分为两大类：一类是由几何误差和热误差等引起的，与机床运动进给率大小无关的准静态精度；另一类是源于控制作用和加减速过程中的结构变形、振动，且随编程进给率大小的不同而变化的动态精度[1]。

Koren在1983年指出，加工中的运动误差来源大致可以分为3类：第1类来自切削效应，即刀具变形、颤振和刀具-工件的热变形；第2类来自某些机械缺陷，如轴间不垂直、运动轴间隙、爬行；第3类来自控制与轴动态特性[4]。在数控机床中，第3类误差

国家重点基础研究发展计划资助项目(2009CB724407)；国家科学重大专项（2010ZX04014-015）；国家自然科学基金重点资助项目（51235009）

[作者简介]赵万华(1965—)，男，辽宁本溪市人，教授，博士生导师，主要研究方向为高档数控机床机电集成技术；E-mail：whzhao@http://doc.guandang.net

2013年第15卷第1期

93

通常非常显著，事实上在高速定位系统中，机械或结构振动是影响轮廓性能的最重要的因素[5]。

Schmitz在2008年指出，工件精度，即工件对尺寸与几何形状要求的符合程度，有4个主要来源，分别为几何误差、热变形误差、由控制与机械特性决定的跟随误差和由切削力引起的误差[6]。值得注意的是,在文献[6]中所选的高速加工中心-刀柄-刀具组合与工艺参数下，由切削力引起的误差占主导（76%），这与文献[1]和文献[5]的结论不符。这一现象是由于文献[6]所采用的评价方法中稳态部分权重过大造成的，同时也说明准确的定义和统一的评价方法在研究与应用中的重要性。

基于以上研究，考虑到高速数控机床的特点，本文提出一种数控机床精度分类和各类误差的定量定义方法。如图1所示，数控机床的最终精度是设计工件的理想形状与加工获得的实际形状之间尺寸、形状的符合程度，即图1中曲面（fx，y，z）=0与f*（x，y，z）=0的符合程度，通常用其法向偏差衡量，数学上某加工区域Ω的法向偏差指标Δtotal可近似按式（1）计算。应用中要注意综合考察小曲率部分、大曲率部分、转角部分、过象限部分的偏差，并根据产品特点为各部分赋以合适的权重，才能得到

总的加工精度。

图1数控机床的精度分类示意图

Fig.1ClassificationofprecisionsinCNCmachinetools

æminx-x2+y-y2+z-z2ö（1）Δtotal=max(1i)(1j)(1k)÷ç

i,j,k

èx,y,zø

*

式中，（x1，y1，z1）∈Ω；f（x1，y1，z1）=0；（fx，y，z）=0。

4类精度，其定义、主要误差来源、主要影响因素及与速度、加速度的关系列于表1，其中运动精度是本文研究的主要内容。

在本文给出的机床精度结构下，数控机床共有

表1数控机床中的4类精度情况

Table1DescriptionoffourtypesofprecisioninCNCmachinetools

精度类别编程精度运动精度几何精度加工精度

定义

编程路径与理想曲面的符合程度数控指令与运动轴实际位移的

符合程度

主要误差来源

主要影响因素

与速度、加速度的关系

—

误差直接正相关误差通过力作用间接弱相关误差直接相关，但较复杂

路径规划（空间离散）与轨迹算法精度与路径、轨迹细

规划（时间离散）分数控制时延、运动轴机械振动及其相互作用

指令特性、控制算法、

机械特性加工、装配、热变形工艺系统刚度、切削参数、刀具工件材料

刀具实际位姿与按运动轴位移单轴运动精度（直线度）与轴

计算理想位姿的符合程度间位置、姿态精度切削条件下的刀具相对于位姿与

刀具变形、振动，工件变形

同等条件下非切削时位姿的符合

振动

运动精度是数控指令与运动轴实际位移的符合程度，用相应的多维误差序列Δdynamic（t）[式（2）]表征。

=[xa(t)-xc(t),ya(t)-yc(t),za(t)-zc(t)]Δdynamic(t)=Xactual(t)-Xcode(t)

运动精度的误差直接与机床运动速度、加速度正相关，不同于GB/T17421.2—2000（ISO230.2—2006）中规定的低速运动、稳定后测量的运动轴定位与重复定位精度。一般意义上的动态精度是指系统在随时间变化的输入作用下所具有的精度，在

（2）

94

中国工程科学

给定输入作用下的该精度是指过渡过程中的最大动态偏差，而本文提出的运动精度描述更为广泛，评价更为全面。目前国内外尚无关于运动精度的定义、测量和评价标准。

的偏差（见图3）

。

3

3.1

数控机床运动精度的评价测量方法

运动精度的评价方法

由上节定义可知，运动精度可由多维误差序列

图3准停过程 …… 此处隐藏：10452字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……