數(shù)控機(jī)床精度保持性的 定量評價與誤差敏感度分析

康德

摘 要 目前，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)廣泛應(yīng)用，為了提升數(shù)控機(jī)床的工作效率，就要加大數(shù)控機(jī)床的精度。本文主要就數(shù)控機(jī)床精度保持性進(jìn)行闡述和介紹，明確了該內(nèi)容的基本內(nèi)涵和具體概念。在數(shù)控機(jī)床精度保持性的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的評價模型，對數(shù)控機(jī)床精度保持度更加全面深入的分析，為數(shù)控機(jī)床工作精度提升提供更多參考。

關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床;精度保持性;定量評價

為了提升數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量和工作效率，我國對數(shù)控機(jī)床的開發(fā)與研究做出了明確的規(guī)定，要從可靠性、精度保持性兩個方面入手。數(shù)控機(jī)床精度包括直線度、平行度、定位精度等多個種類，不同精度指標(biāo)會造成不同的影響。所以要對其進(jìn)行定量評價和誤差敏感度分析，明確精度指標(biāo)和數(shù)控機(jī)床加工性能的關(guān)系，進(jìn)而采取有效的優(yōu)化方案。

一、數(shù)控機(jī)床精度保持性概述

在正常使用數(shù)控機(jī)床的情況下，所謂精度保持性，就是機(jī)床中各個精度指標(biāo)可以保持在規(guī)范范圍內(nèi)一定時間的能力。使用條件包括切削用量、加工尺寸、作業(yè)環(huán)境、加工材料等多個方面。所謂精度要求范圍，就是國家標(biāo)準(zhǔn)指出的機(jī)床出廠精度;所謂下限失效精度，也是指機(jī)床的精度值，但這個精度值已經(jīng)無法滿足零件加工對精度的要求。根據(jù)上述定義內(nèi)容，可以利用精度指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)保持時間的長短來評價機(jī)床精度保持性，也就是機(jī)床精度保持了多長時間^[1]。如果保持的時間較長，低機(jī)床精度的保持性較好，反之則保持性較差。不過，數(shù)控機(jī)床的精度指標(biāo)并不是一成不變的，隨著時間的推移，其指標(biāo)也會發(fā)生一定的變化，即使兩個機(jī)床的精度保持性相近，但精度變化情況也可能完全不同。

二、數(shù)控機(jī)床精度保持性的定量評價

在明確了精度保持性的內(nèi)涵之后，要利用這個概念對數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行評價和優(yōu)化。首先，要在時間維中映射動態(tài)變化精度，包括直線度、垂直度等，這些精度值都會隨著時間的推移發(fā)生變化，通過映射可以將其變?yōu)殪o態(tài)指標(biāo)，使時間無法對該指標(biāo)產(chǎn)生影響^[2]。其次，利用靜態(tài)指標(biāo)評價方式進(jìn)行精度指標(biāo)評價。為了進(jìn)行量化評價，要利用精度保持性的概念，在機(jī)床正常使用的情況下，精度可以在規(guī)定范圍中為此在最開始的狀態(tài)。精度保持度可以體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的保持精度的能力，屬于特征量。在評價的過程中，井將精度指標(biāo)設(shè)為δi，誤差量設(shè)i。進(jìn)行兩側(cè)檢測，架設(shè)誤差在檢測過程中均勻變動，會得到其變化_i（t）。精度指標(biāo)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)_i¹對應(yīng)_i^F是精度失效時產(chǎn)生的誤差。在機(jī)床生產(chǎn)運(yùn)作的過程中，惡意利用精度檢測儀定期檢測精度指標(biāo)，以此掌握機(jī)床在各個時間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的離散誤差數(shù)據(jù)。在時間維度中映射精度指標(biāo)誤差，建立離散化模型，在t_n中，該精度指標(biāo)的誤差變化值具體計算方式如下：

其中，機(jī)床出廠精度相較于精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)會略高一些，誤差_i（t₁）≤_i¹。為了表示δi維持在最初狀態(tài)的能力，并對其范圍區(qū)間進(jìn)行控制和考慮，利用統(tǒng)計學(xué)距離判別理論，在t_n時刻，機(jī)床精度指標(biāo)的保持度如下：

三、數(shù)控機(jī)床精度保持性的無法敏感度

（一）計算方式

機(jī)床的精度指標(biāo)會隨著時間變化而發(fā)生變化，根據(jù)這個特點(diǎn)，可以采用SOBOL全局敏感度分析法進(jìn)行分析，主要對精度指標(biāo)誤差變化均勻值與機(jī)床空間位置精度保持度的關(guān)系進(jìn)行分析，對關(guān)鍵性誤差源進(jìn)行識別，從而為提升機(jī)床精度保持性提供更多可靠的依據(jù)和支持^[3]。要分析敏感度，可以使用機(jī)床空間位置精度保持模型。機(jī)床的精度指標(biāo)有n項(xiàng)，輸入量選用影響誤差變化均勻值，進(jìn)而組成空間Ω;輸出量選擇機(jī)床在x、y、z坐標(biāo)方向的空間位置精度保持度。具體計算方式如下：

在公式中，G表示n項(xiàng)精度的誤差變化均勻適量。沿著x坐標(biāo)方向空間位置精度保持度，分析各項(xiàng)誤差的敏感性，其精度保持度的如下：? ? ? 。

（二）案例分析

在實(shí)際評價分析的過程中，首先對數(shù)控機(jī)床精度進(jìn)行長期監(jiān)測。對三軸立式加工中心進(jìn)行測試，其主要構(gòu)成部分包括工作臺、主軸箱、床身等等。使用ML10激光干涉儀進(jìn)行誤差項(xiàng)的檢測，時間跨度為400天，檢測9項(xiàng)精度，次數(shù)為10次。檢測結(jié)束后，對精度保持性進(jìn)行具體的評價。首次測量值選擇機(jī)床測量精度指標(biāo)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也就是機(jī)床的出廠精度的對應(yīng)誤差。利用前文所述公式，將具體的數(shù)據(jù)代入到公式之中，可以得到機(jī)床各個精度指標(biāo)在對應(yīng)時間節(jié)點(diǎn)中的精度保持性。通過計算可知，沒有測量精度指標(biāo)的誤差可以假設(shè)為0，測試精度指標(biāo)在各個階段中的保持度會大于0，被測試的精度會在精度要求的范圍之內(nèi)，隨著時間的變化，精度保持度會逐漸減小。在最初測量時，精度指標(biāo)誤差與出廠標(biāo)準(zhǔn)相同，也就是說精度保持度是1;最后測試中，x軸從z的方向開始出現(xiàn)直線度的精度下降的情況，且直線度精度保持度最低，只達(dá)到了0.69;y軸也有同樣的情況，但其保持度最高，達(dá)到0.90。將不同時間點(diǎn)測量所得的誤差數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)帶入到前文所述的算式之中，得到具體的誤差變化均勻值，然后再進(jìn)行更進(jìn)一步的計算。最終獲取影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵性誤差，可以追溯到誤差的源頭，有助于精度的提升。

結(jié)語：

綜上所述，在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的過程中，提升數(shù)控機(jī)床精度保持性是十分重要的優(yōu)化內(nèi)容。相較于國外的高檔數(shù)控機(jī)床，我國數(shù)控機(jī)床精度保持性較差。利用文中所述的計算方式，可以了解關(guān)鍵性誤差的來源，有助于數(shù)控機(jī)床精度的提升。

參考文獻(xiàn)：

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