数控机床精度评价新方法

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 ：
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
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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 Ⅲ 。 Ｋｏ ｒ ｅ ｎ在 １ ９ ８ ３ 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 一 工 件 的热 变 形 ； 第２ 类 来 自某些 机
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１ ９ ６ ５ ， Ｉ － ） ， 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 — ｍａ ｉ ｈ ｗ ｈ ｚ ｈ ａ ｏ ＠ｍａ ｉ ｌ ． ｘ ｊ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． Ｃ ｌ ｌ ＇ 【 作者简 介】 赵万华（
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 ｍ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。
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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。
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 。在数控机床中， 第３ 类误差
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Ｏｌ ２ — １ ０ ． １ ０ 【 收稿 日期】 ２
【 基 金 项 目】 国家重 点基础 研究发 展计划 资助项 目（ ２ ０ ０ ９ Ｃ Ｂ ７ ２ ４ ４ ０ ７ ） ； 国家 科学 重大专 项 （ ２ ０ １ ０ Ｚ Ｘ ０ ４ ０ １ ４ — ０ １ ５ ） ； 国家 自然科 学基 金重点 资助
数控机床精度评价新方法
赵 万 华 ， 张 俊 ， 刘 辉 ， 杨 晓君 － ，
（ １ ． 西安交通大学机械工程学 院 ， 西安 ７ １ ０ ０ ４ ９ ； ２ ． 西安交通大学机械制造系统工程 国家重点 实验 室 ， 西安 ７ １ ０ ０ ４ ９ ）
【 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（ Ｃ Ｎ Ｃ ） 性 能的 ， 无法反 映数控 机
［ 关键词】 数控机床 ； 运动精度 ； 评价指标 ； 影 响因素
时１ 图分类号】 Ｔ Ｇ ６ ５ ９ 【 文献标识码】 Ａ 【 文章编 号１ １ ０ ０ ９ — １ ７ ４ ２ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ０ ９ ３ — ０ ６
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ｎ ， 。同时由于工作条件的极 端化 ， 高速数控机床 中控制一 伺服驱 动一 机械问的多 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 】 。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 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
基于以上研 究 ， 考 虑到高速数控机床 的特 点 ，
本 文 提 出～ 种 数 控 机 床 精 度分 类 和各 类 误 差 的 定 量 定 义方 法 。如 图 ｌ 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ｆ （ ｘ ， Ｙ ， ｚ ） ＝ ０
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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 。
Ｓ ｃ ｈ ｍｉ ｔ ｚ 在２ ０ ０ ８ 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 ∞ 。值得 注 意