数控技术及应用(清华版.8.数控机床的精度)

2. 跟随误差与轮廓误差之间的关系
轮廓误差是指实际轨迹与要求轨 迹之间的最短距离。一般分析两 种情况下的轮廓误差：加工直线 轮廓和加工圆弧轮廓。
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8.5 习 题
(1) 数控机床的精度主要有哪些检测项目？为什么说定位精度与工作精度 试验对数控机床来说尤为重要？ (2) 数控机床定位精度的含义是什么？ (3) 当采用统计分析法确定定位误差时，其两项主要参数和σ的含义分别 是什么？它们分别反映了哪种性质的误差？ (4) 已知某一坐标轴上若干个目标点的定位精度后，如何评定该坐标轴的 定位精度？ (5) 影响开环控制系统定位精度的因素是什么？ (6) 如何提高开环控制系统定位精度？ (7) 影响死循环控制系统定位精度的因素是什么？ (8) 产生失动量的原因是什么？通过哪些措施可以减小失动量？ (9) 简述定位误差的误差补偿方法的原理。 (10) 数控机床为什么要进行工作精度试验？试验中如何排除非机床因素？ (11) 加工中心的工作精度主要检测哪些项目？ (12) 怎样才能减少跟随误差对廓形加工精度的影响？
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8.1.2 数控机床精度的主要检测项目
1. 几何精度
机床的几何精度是指机床的主要运动部件及其运动轨迹的 形状精度和相对位置精度。它对工件的加工精度有直接影 响，因而是衡量机床质量的基本指标。几何精度通常在运 动部件不动或低速运动的条件下检查，其中主要包括：
(1) 导轨的直线度 (2) 导轨或主要运动部件运动基准间的相对位置精度 (3) 主轴的回转精度
2. 软件补偿法
(1)反向间隙误差补偿 (2)由螺距累积误差等引起的常值系统性定位误差的补偿
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8.4 数控机床的工作精度
8.4.1 数控机床的工作精度 试验
1. 主要检测项目 现以加工中心为例，介绍 其工作精度的主要检测项 目。 (1) 镗孔孔距精度 (2) 斜线铣削精度
四面的直线度； 相对面间的平行度； 相邻两面间的垂直度。 (3) 铣圆精度 2. 各检验项目与机床精度的 关系 图8.8表示在两孔中心位 置A、B两点处机床定位精 度对试件孔距精度的影响。
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8.3.3 全死循环控制系统的定位精度分析
全死循环控制系统由于在工作台上安装了位置检测组件，把位 移信号反馈到输入端并与输入信号相比较，实现对工作台的反 馈控制，因而机械传动系统各部分的误差对工作台的定位精度 没有直接关系，定位误差主要取决于位置检测系统的误差。它 主要包括有检测组件本身的误差，如分辨率、线性度等，以及 由于检测组件的安装、调整所造成的误差。 全死循环控制系统中的失动量，虽然不直接影响定位精度，但 过大的失动量会造成伺服系统的动态不稳定和振荡，使系统性 能下降。一般死循环控制系统中，轮廓加工机床的失动量应控 制到小于或等于4µm，点位控制系统允许到0.01~0.02mm。 半死循环控制系统由于丝杠螺母副到工作台之间的传动链不在 反馈控制环内，该部分的各种误差与开环控制系统一样，会影 响定位精度。
(1) 系统性误差 (2) 随机性误差
2. 定位精度的确定
定位精度主要用以下三项指标表示：
(1)定位精度 (2)重复定位精度 (3)反向差值
3. 实际检测中定位精度的计算
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8.2.2 定位精度的检测
数控机床的定位精度一般采 用刻线基准尺和读数显微镜、 激光干涉仪、光栅、感应同 4 提高定位精度的措施——定位误差补偿
可以采用以下两种基本的方法。
(1)从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差。 (2)采用误差补偿方法提高定位精度。
误差补偿的原理就是人为地制造一个大小相等、方向 相反的误差去补偿原有的误差。
1. 电气补偿法
(1)反向间隙误差补偿 (2)螺距累积误差补偿
利用刻线基准尺和读数显微 镜的测量原理见图8.3(a)。
较高精度的数控机床常用双 频激光干涉仪测量定位精度。 其测量原理见图8.3(b)。
图8.4为激光干涉仪测量系统 的原理图。
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8.2.3 数控机床定位精度的评定
按国家标准GBl0931—89“数字控制机床位置精度的评定方法” 的规定，数控坐标轴定位精度的评定项目有以下三项：
2. 定位精度
机床的定位精度是指其主要运动部件沿某一坐标轴方向， 向预定的目标位置运动时所达到的位置的精度。
3. 工作精度
机床的工作精度是机床在实际切削加工条件下的一项综合 考核。
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8.2 数控机床的定位精度
8.2.1 定位精度的基本概念
定位精度的高低用定位误差的大小来衡量。按国家 标准规定，对数控机床定位精度采用统计检验方法 确定。 1. 定位误差的统计检验方法
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8.3.2 失动量的来源和消除措施
失动是指工作台或刀架反向移动时 的位移损失。在开环系统中，反向 差值B反映了失动量的大小。 失动量的来源可用图8.6为例说明。 为了减少失动量，可以从以下几个 方面采取措施：
(1)从产生失动量的根源上采取措 施。 ① 减小、消除各种机械间 隙，采用各种消除间隙的结 构。装配时预加载荷。 ② 减少丝杠的弹性变形。 增大轴径可有效地减少变形。 (2)减少相对运动件之间的摩擦力。 (3)对于点位控制系统可以采用单 方向趋近法。 (4)失动量中的常值系统性误差部 分，可以通过误差补偿的方法消 除或减少。
1. 步进电动机的误差
(1)步进电动机的步距角误差 (2)步进电动机的动态误差 (3)步进电动机的起停误差
2. 机械传动部分的误差
(1)齿轮副的传动误差及传动间隙 (2)滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙
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8.3.1 开环系统的定位精度分析
3. 导轨副的误差
当导轨副的导轨面存在直线度误差、平面度误差、两导轨 间的平行度误差以及滚动体存在形状、尺寸误差时都会使 运动件不能沿给定方向作直线运动，使导轨副的运动件偏 离给定方向运行；或产生运动轨迹的不直线性，使运动件 颠摆(上、下摆动)或摇摆(水平摆动)，这就产生了导向误差， 直接影响了定位精度。
轴线的重复定位精度R； 轴线的定位精度A； 轴线的反向差值B。
检测时，在各坐标轴上选择若干测点，在每个测点位置上，使 移动部件按正、反两个方向移动趋近。测定定位误差。 用图表示的检测结果如图8.5所示。
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8.3 数控机床定位精度分析和提高措施
8.3.1 开环系统的定位精度分析
在开环伺服系统中，指令脉冲经脉冲分配器、功率放大器、 步进电动机、减速齿轮、滚珠丝杠螺母副转换为机床工作 台(或刀架)的移动。 在机床使用过程中，定位精度进一步受到负载变化、振动、 热变形、机床导轨和丝杠螺母副的磨损以及数控装置组件 特性变化等的影响。其中，主要的影响因素有下列各项。
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检测项目有：
8.4.2 机床进给伺服系统特性对加工精度的影响
控制系统应同时精确地控制各坐标 轴运动的位置和速度。由于系统的 稳态和动态特性，会影响坐标轴的 协调运动和位置的精确性，产生轮 廓的形状误差。以下仅讨论系统的 稳态特性对轮廓误差的影响。 1. 跟随误差
数控机床的伺服进给系统可简化 为一阶系统来讨论。当恒速输入 时，稳态情况下系统的运动速度 与速度指令值相同，但是两者的 瞬时位置有一恒定的滞后。 在图8.9中，曲线1为某一坐标轴 的位置命令输入曲线，曲线2为实 际运动的位置时间曲线。
第8章 数控机床的精度
数控机床正在向高精度化方向发展，数 控机床精度的提高日益为人们所重视。 本章主要介绍数控机床的精度标准和提 高数控机床精度措施的基本概念。并重 点介绍数控机床的精度检测项目和评定 方法。
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8.1 概
8.1.1 机床精度的基本概念
述
工件的加工精度是指加工后的几何参数(尺寸、形 状和表面相互位置)与理想几何参数符合的程度。 精度的高低用误差的大小来表达。误差是指实际值 与理想值之间的差值，误差愈小，则精度愈高。工 件的加工精度用尺寸精度、形状精度和位置精度三 项指针来衡量。 在机械加工中，工件和刀具直接或通过夹具安装在 机床上，工件的加工精度主要取决于工件和刀具在 切削成形运动过程中相互位置的正确程度。
4. 机械传动部分的受力变形
由于负载的变化(包括切削力、摩擦力以及加减速过程中的 惯性力等)会引起弹性变形量的变化，造成移动部件的定位 误差以及反向时的失动量。
5. 机械进给部分的热变形
数控机床由于机动时间长，由摩擦温升引起的热变形常是 定位误差的主要组成部分。其中由丝杠和螺母相对运动摩 擦引起的温升使丝杠产生的热伸长常会严重影响定位精度。
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