机床加工定位误差原因分析

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110850）

1 定位误差机理分析

在机床的结构分析中，机床具有3 个平动轴，这3 个轴是机床重要的组成部件，同时也是机床误差主要的来源。而机床的精度直接影响零件的精度，在机床的加工过程中，定位直接影响零件加工，所以定位精度也是衡量一个机床好与坏的指标之一。

定位精度的定义是机床中零件或者刀具实际位置与理论位置出现的差异，这个差异越小，表明机床的定位精度越高，越大表面机床的定位精度越差。

数控机床伺服系统是指以机床移动部件位置和速度为控制对象的自动控制系统，又称随动系统。在数控机床的控制系统中，伺服系统是数控系统与机床控制本体之间的一个桥梁，是重要的联系环节，同时也是数控机床系统的执行机构。伺服是机床运动参数按照数控机床指令实现运动的系统，参数包含工艺中的速度，运动方向、加工起点等。

对于数控机床的伺服系统需要具有精度高、稳定性好、对指令相应速度非常快的特点，主要的控制方式有开环、闭环、半闭环等。

机床是由金属组成的，金属具有热胀冷缩的特点，机床在对零件进行加工的过程中，由于刀具和零件之间的切削运动，齿轮之间的运动，电动功率的损失都会产生一定的热量，这些热量在机床本身的内部会对机床产生影响，这种热误差是非线性误差，可以归类到静态误差之中，图1 为机床产生的热量对机床的影响。

通过对机床热变形机理进行分析，机床发生热变形的主要原因是机床本身受到内部和外部的热变化，从而使机床本身发生热变形。如果机床一旦发生了热变形，机床零部件之间的摩擦力会发生变化，摩擦加剧产生的热量会更多，这样就会使热变形变得更加剧，所以为了在机床运行过程中，不会产生大量的温度，通过提高机床零件的精度和将主机分离，传动机构之间增加一些润滑，降低机构之间的热量[1]。

2 滚珠丝杠特性分析

在机床的结构分析中，滚珠丝杠是机床传动系统组成部分中非常重要的部分。其精度直接影响机床自身的加工精度，同时在滚珠丝杠工作的过程中，如果外部热源直接进入到滚珠丝杠内部，滚珠会产生热胀冷缩的现象，滚珠丝杠运动的精度会发生改变，进给系统的进给量会受到影响，就会使得机床加工精度受到影响，零件加工完成之后尺寸可能有误差[2]。

图1 机床热变形机理

由于滚珠丝杠的精度对机床的影响非常大，针对滚珠丝杠的温度研究，需要利用实验的方法进行解析，在实验过程中需要对滚珠丝杠的热特性进行分析，热传导是热量传递中非常重要的指标。热的传递方式有3 种，热传导、热对流、热辐射。滚珠丝杠热特征分析中，热量主要是通过热传导进行热量传递的[3]，热传导符合傅里叶定律：

式中：q—热流密度。

λ—导热系数。

上述公式中的“-“标示的是热在传导过程中热量的流动方向，热量是向着温度低的方向流动的。

在对滚珠丝杠系统进行分析的过程中，支持整个系统进行运动的轴承也是需要进行分析的。在轴承的热系统分析中，轴承主要是一个热量产生位置，是发出热量的。原因是在滚珠丝杠进行运动的时候，轴承是进行旋转的，轴承内部的滚珠和内外圈之间会因为摩擦的原因产生热量，发出的热量可以利用公式计算得出，具体的公式计算如下：

式中：Q—单位时间发热量，单位kW。

n—轴承转速，单位r/min。

M—轴承摩擦力矩，单位N×m。

在对轴承热量的研究中，可以发现轴承的热量和轴承的速度是成正比的。如果轴承旋转的速度越快，轴承发出的热量越多，同时这个发出的热量和轴承的摩擦力也是成正比的。摩擦力越大，发热越多，轴承的摩擦力是轴承滚动摩擦、滑动摩擦和润滑剂摩擦的总和。

3 定位误差建模与补偿

机床定位误差和机床本身的误差在不同温度下和环境中是不同的。机床的定位误差有几何误差和热误差2 种，定位误差是随着机床温度的变化增大而增大。所以在对机床定位误差进行分析的时候，不能通过单一温度进行分析，需要进行全温度的测量模型。

对数控机床定位误差进行测量的实验中，将立式加工中心作为实验对象，将加工中心标准坐标轴XY 轴分别增加一个激光干涉仪，通过干涉仪对加工中心3 个方向进行定位误差测量数据的采集。在数据采集中，为了能够保证数据真实有效，需要在每个方向上至少采集3 组以上数据，在对数据取平均值来最为最终的数据结果[4]。

在对机床的定位误差的研究过程中，从实验和最终的数据中发现，这个误差是真实存在的，同时也是不能消除掉的。所以需要误差补偿技术来消除这个误差。误差补偿技术是利用一些人为技术将机床的定位误差抵消掉，这种手段来提高机床的加工精度的方法之一，同时也是最有效的方法。

误差补偿技术的原理是将加工零件或者机床的刀架进行相应的移动，使得刀具与工件之间的相对位置发生变化。通过这种方式将在定位过程中存在的实际偏差消除掉。误差补偿的控制方式有3 种形式，分别为开环前馈补偿、闭环前馈补偿及半闭环前馈补偿。开环前的控制方式是对机床进行模型分析，实际分析的结果将误差补偿位置增加到机床存在误差的系统中，实现误差的消除。这种误差补偿技术成本低，但是对误差消除的效果不佳；闭环的控制方式是机床在对零件进行加工的时候，对实时误差进行实时补偿，这种控制方式的控制精度非常高，同时成本也非常高。

考虑到技术和成本等方面，一般的机床都是以半闭环的控制方式实现对机床定位误差进行补偿。半闭环的控制方式是将机床的参数和误差作为模型的变量，在通过对误差和变量之间建立分布规律，再将这些规律和检测的数据作为误差补偿的依据，具体的控制方式如图2 所示。

图2 半闭环前馈补偿控制方式

4 结论

该文从机床定位误差的产生来源点可以分析出影响机床定位误差的根本原因，这个方法可以最终实现对伺服系统控制方法的设计。再对滚珠丝杠在不同载荷作用下产生的热量进行稳态仿真，可以解决机床进给系统在加工零件时候产生的加工误差。对机床全温度状态下进行分析，可以总结出机床误差的变化规律，利用误差补偿的方法将机床误差消除掉在今后的机床发展中，还需要设计人员不断的研究机床补偿技术，通过机床加工的实时补偿完成对零件精度的保证。