滚珠丝杠的误差对进给系统的影响

滚珠丝杠的误差对进给系统的影响

滚珠丝杠具有高效、低磨损、低发热、长寿命等显着优点，已广泛应用于数控机床的进给系统和其他设备。然而，进一步提高滚珠丝杠进给系统的轨迹跟踪精度仍存在巨大挑战。从伺服控制的角度来看，轨迹跟踪和振动抑制是高速加工控制的两个基本要求。对于工件的位置跟踪，需要高速、高精度地跟踪理想的切削轨迹；对于振动的抑制，应注意切削力干扰引起的工件振动。高速进给系统的设计主要包括参考轨迹的连续性设计、进给系统的模型建立与参数辨识、伺服控制器的设计。控制器的设计直接决定了控制性能。

数控机床是制造业加工零件的重要设备之一。与传统的普通机床相比，自动化程度更高，由微处理器按预设程序进行加工。我国对数控机床结构设计和控制方法的基础理论研究起步较晚，与欧美日韩技术差距较大。《中国制造2025》将数控机床列为我国制造业。发展战略十大领域之一充分体现了我国对发展数控机床的重视。

数控机床进给驱动有两种形式。一种是用直线电机直接实现工作台的直线运动。但这种驱动方式成本高、动态刚度低，容易引起振动和发热。缺点在数控机床上难以广泛应用；另一种是采用旋转电机、滚珠丝杠和直线导轨的组合，通过滚珠丝杠将电机的旋转变为沿直线导轨的直线运动，即所谓滚珠丝杠进给系统。与直线电机进给系统相比，滚珠丝杠具有效率高、伺服寿命长、承载能力高、刚性强、行程大、散热低，在转动惯量变化较大的情况下仍能保持良好的加速能力。工件所以一直使用，广泛用于制造中的进料系统。

跟踪误差和轮廓误差是衡量机床进给系统精度和性能的最重要的误差指标。如图所示，跟踪误差是刀具实际位置偏离参考位置引起的误差，轮廓误差是实际刀具轨迹的偏差。理想刀具路径的几何误差直接影响工件表面的加工质量。

减小轮廓误差最直接有效的方法是减小单轴的跟踪误差。高滚珠丝杠进给系统的单轴跟踪精度至关重要。为此，应设计高性能的跟踪控制器来控制电机的驱动力矩，使系统的实际运动位置能够实时跟踪给定的参考轨迹。进给系统的跟踪精度受滚珠丝杠的机械动态特性、控制算法、外部干扰和传感器反馈质量的影响。闭环带宽是影响高速进给系统位置精度的重要因素之一。在高速切削过程中，特别是在重载和高加速度条件下，结构的轴向和扭转振动直接决定了伺服带宽。

此外，滚珠丝杠进给系统是一个具有不确定性的时变系统，其振动模式随工作台位置和加载工件的质量而变化。在切削过程中，进给系统还受到切削力和非线性摩擦等外部干扰的影响。同时，控制器在采集旋转编码器和光栅尺的反馈信号时会产生随机干扰和噪声。因此，为了提高滚珠丝杠进给系统参考运动轨迹的跟踪精度，有必要充分了解被控对象本身的动态特性，包括振动特性、时变特性、不确定性和存在性。外部干扰和随机噪声。

在零件加工过程中，滚珠丝杠副的定位精度直接影响零件的表面质量。一方面，滚珠丝杠副不可避免地存在制造误差。虽然可以通过提高加工精度来减少制造误差，但不能完全消除制造误差，对材料、加工设备和制造工艺都会提出更高的要求，造成巨大的经济成本。如果提高进给系统的跟踪定位性能，弥补滚珠丝杠制造加工中存在的尺寸和几何误差，将降低投资成本，带来巨大的经济效益。在滚珠丝杠副的制造和加工精度不变的情况下，通过改进伺服控制系统的控制方式，提高进给系统的精度，对加工过程中的误差进行实时监测和补偿减少跟踪误差，提高定位精度，从而保证产品加工的准确性。因此，迫切需要对滚珠丝杠进给系统的控制方法进行研究，以实现在高速切削环境下对参考轨迹的精确跟踪。