数控机床进给轴现状及发展趋势

2020-09-10于铎张鹏

内燃机与配件 2020年5期

于铎张鹏

摘要：进给运动同主运动一道实现工件的成形。随着切削速度的提高对进给轴的速度、加速度以及精度提出越来越高的要求。因此，进给轴的设计、制造质量对于数控机床十分重要。在本文中作者结合多年工作经验，总结和分析了数控机床进给轴设计中的功能参数、檢验指标和发展趋势。

关键词：数控机床;进给轴;参数指标;发展趋势

1 进给轴的功能参数及指标

①快移速度Vq（米/分）：指机床的刀架或工作台最大移动速度。目前一般在10～20米/分，高一些的为40～60米/分，个别的已达到80～100米/分以上。该速度用于完成空行程，可单轴或多轴联动以缩短辅助时间。对运动过程的轨迹不感兴趣，但看重运动终点的精度，如定位精度检验。

②加速度a（米/秒2）：指运动部件由静止到加速至最大移动速度Vq过程中速度的增量。当Vq发展到20米/分以上时，人们认识到如果只提高速度Vq，而加速度a（米/秒2）不变，就不能取得明显效果[1]。上世纪80年代加速度a为0.3g，目前较高水平是1～1.5g（g=9.8米/秒2）。

③进给速度F（米/分）：刀具运动的轨迹以速度F成型工件的形状，即运动精度直接影响被加工件的“轮廓精度”。因为倾斜的直线和曲线运动的轨迹通常是由两或三个坐标方向微小的直线段合成（插补）的，故工件表面的轮廓精度不仅取决于进给轴的运动精度，还与进给速度F的快慢、插补的采样时间t、加速度a、以及数控系统位置环的增益有关。

④轴向最大进给力P（牛）：为克服切削抗力输出的最大轴向力。它不仅是设计进给系统的重要依据，也是选定主轴定位轴承的依据。

2 检验指标

2.1 位置精度[2]：由三个分项组成

重复定位精度R：性质属于偶然误差，特点是误差每次出现没有一定的规则，误差的统计规律服从正态分布。取R=6Smax（Smax—机床检验时目标点中最大的标准偏差）。主要由各处的间隙、摩擦力和弹性变形构成。

反向偏差B：主要产生在丝杠/螺母及其支承处。伴随部件运动方向的改变（负载力的方向也随之改变）而出现的正、反偏移的差值（间隙或变形）。取B=Bmax（Bmax—目标点中最大的正反向偏差值）。

定位精度A：具体计算方法可以认为：A≈R+B+ΔL。

ΔL—进给丝杠的螺距累积误差，因为它是一个常量，可借助计算机通过控制系统（CNC）进行修正。欧美国家1991年前数控车床X轴定位精度为15～20μm，重复定位精度±5μm;采用计算机补偿技术后，定位精度达到±5μm，重复定位精度±1.0～2.0μm[3]。这项技术不是简单地在测出误差数据后，再利用数控系统的螺补功能手动补偿（91年前曾采用次法）;这是由于测量和补偿点有限，在补偿过程中产生误差的机会较多等缺点，因而对提高机床定位精度的作用有限。

2.2 单脉冲精度Δp

单脉冲，即机床的最小编程单位。普通级0.001mm，精密级0.0001mm。滑动导轨机床因其摩擦系数大且存在动、静差别，当发出一个脉冲当量指令时，常不产生移动或移动量不足，有时累计一定数量脉冲后突然前冲。单脉冲精度描述机床对一个脉冲当量的响应程度：

Δp=（单脉冲-实际移动量）/单脉冲

显然，单脉冲精度Δp对工件的轮廓精度而言，意义重大。滚动导轨则情况有了极大改进，例日本大隈产LR系列，单脉冲为0.1μm。

Δp<5%，而且累积误差不大于0.13μm[4]。

2.3 轮廓精度G18[2]：用球柄仪检测。最大切削直径<ф500的机床，试件检测半径R<100mm，允差0.01mm。还可以加选切削法（P5）。

2.4 尺寸精度

工件加工精度包括三个部分，即形状和位置精度，表面粗糙度，尺寸精度。在加工过程中，唯尺寸精度变动是最大的，其余两者相对稳定。评价机床是否具备这一精度能力，是按照车床工作精度的统计检验方法进行的[5]。影响尺寸精度的因素主要是进给轴的位置精度、刀架的转位精度、进给轴的热伸长及主轴等各部位的热变形。

3 进给轴控制方式及发展趋势

3.1 滚珠丝杠与直线电机

1958年滚珠丝杠首次出现在美国K&T公司生产的世界第一台加工中心上，此后伴随着数控机床不断发展成为了一代王者，至今仍历久不衰。但是随着高速加工技术的发展与应用，这种传统的驱动方式已日显逊色，主要表现在刚度低、惯性大，非线性误差严重，以及结构复杂、噪声大、传动效率低等。

1993年德国企业在汉诺威国际机床博览会上展出了世界上第一台带有直线电机驱动的工作台的高速加工中心，采用德国Indramat公司开发成功的感应式直线电动机（快移速度Vq=60米/分）。几乎与此同时，美国一家公司在HVM-800型高速加工中心上采用了美国Anorad公司开发的永磁式直线电动机，工作台的最大进给速度达到72.6米/分，一下子轰动了国际机床界和学术界[6]。直线电动机驱动的优点：

①速度高80～120米/分，加速度2g～10g。

②定位精度高0.1～0.01μm，采用前馈控制的直线电动机系统可较滚珠丝杠减少跟踪误差200倍，因而在高速切削加工时获得高精度。可以预见的是，在未来直线电机驱动将是高精度加工中心的标准选择。

③刚度高，是滚珠丝杠的2～3倍，它是获得精确刀具轨迹和良好表面质量的保证。

④噪声低、行程不受限制可以做的很大。

当然直线电机驱动并不是完美无缺，在现有技术仍存在着较大的局限性：直线电机驱动技术尚不成熟、且价贵，远不如滚珠丝杠便宜;加工硬金属时存在粉尘和磁场防护等问题，是否使用则根据设备价格、精度、使用环境的条件来选择。

3.2 半闭环与闭环

这两者，就其控制的本质而言都属于同样的自动控制系统，差别只是检测装置的安装位置不同。前者反馈的信号从伺服电机或丝杠的前端发出，一般不易产生振荡，应用较为普遍;而后者则从执行部件发出。在滚珠丝杠驱动时，因丝杠是弹性元件，运动部件是一质量，故而构成振荡环节;所以，闭环系统更容易产生振荡。直线电机是“零传动”的全闭环系统，没有振荡环节，故稳定性好、精度高。

丝杠驱动的全闭环系统适于刚性较好的中小型车床，一般效果较好。对于长床身的车床，因丝杠长、刚度低容易产生振荡，故多采用混合控制（半闭环控制很快将电机轴定位在指令位置上，而由闭环控制完成精定位）。

使全闭环系统降低精度的因素如下：

①反馈元件与主轴中心（刀尖）不在一条直线，床身和滑板导轨的不直度都会以阿贝误差的形式影响定位精度。

②间隙和失动量一般应控制在4μm以内。

③长的光栅尺安装后，一定要经自校准后才使用。

4 结束语

通过上述理论说明，使我们对机床的进给轴的概念、特点、发展、检验方法及发展趋势有了一定认识，相信能为机床设计人员更好的设计机床进给轴提供帮助。

参考文献：

[1]艾兴.高速切削技术和刀具材料现状与展望[J].世界制造技术与装备市场，2001（3）.

[2]GB/T16462—1996，数控卧式车床精度检验[S].国家技术监督局.

[3]运用计算机技术提高机床的精度[J].制造技术与机床，95，8.

[4]日本大隈产LR系列样本.巴黎欧展会.1991.