数控机床精度保持性的 定量评价与误差敏感度分析

    康德

    

    摘 要 目前，数控机床已经广泛应用，为了提升数控机床的工作效率，就要加大数控机床的精度。本文主要就数控机床精度保持性进行阐述和介绍，明确了该内容的基本内涵和具体概念。在数控机床精度保持性的基础上，建立相应的评价模型，对数控机床精度保持度更加全面深入的分析，为数控机床工作精度提升提供更多参考。

    关键词 数控机床;精度保持性;定量评价

    为了提升数控机床的质量和工作效率，我国对数控机床的开发与研究做出了明确的规定，要从可靠性、精度保持性两个方面入手。数控机床精度包括直线度、平行度、定位精度等多个种类，不同精度指标会造成不同的影响。所以要对其进行定量评价和误差敏感度分析，明确精度指标和数控机床加工性能的关系，进而采取有效的优化方案。

    一、数控机床精度保持性概述

    在正常使用数控机床的情况下，所谓精度保持性，就是机床中各个精度指标可以保持在规范范围内一定时间的能力。使用条件包括切削用量、加工尺寸、作业环境、加工材料等多个方面。所谓精度要求范围，就是国家标准指出的机床出厂精度;所谓下限失效精度，也是指机床的精度值，但这个精度值已经无法满足零件加工对精度的要求。根据上述定义内容，可以利用精度指标在规定范围内保持时间的长短来评价机床精度保持性，也就是机床精度保持了多长时间[1]。如果保持的时间较长，低机床精度的保持性较好，反之则保持性较差。不过，数控机床的精度指标并不是一成不变的，随着时间的推移，其指标也会发生一定的变化，即使两个机床的精度保持性相近，但精度变化情况也可能完全不同。

    二、数控机床精度保持性的定量评价

    在明确了精度保持性的内涵之后，要利用这个概念对数控机床精度进行评价和优化。首先，要在时间维中映射动态变化精度，包括直线度、垂直度等，这些精度值都会随着时间的推移发生变化，通过映射可以将其变为静态指标，使时间无法对该指标产生影响[2]。其次，利用静态指标评价方式进行精度指标评价。为了进行量化评价，要利用精度保持性的概念，在机床正常使用的情况下，精度可以在规定范围中为此在最开始的状态。精度保持度可以体现数控机床的保持精度的能力，属于特征量。在评价的过程中，井将精度指标设为δi，误差量设i。进行两侧检测，架设误差在检测过程中均匀变动，会得到其变化i（t）。精度指标的检验标准i1对应iF是精度失效时产生的误差。在机床生产运作的过程中，恶意利用精度检测仪定期检测精度指标，以此掌握机床在各个时间节点出现的离散误差数据。在时间维度中映射精度指标误差，建立离散化模型，在tn中，该精度指标的误差变化值具体计算方式如下：

    其中，机床出厂精度相较于精度检验标准会略高一些，误差i（t1）≤i1。为了表示δi维持在最初状态的能力，并对其范围区间进行控制和考虑，利用统计学距离判别理论，在tn时刻，机床精度指标的保持度如下：

    三、数控机床精度保持性的无法敏感度

    （一）计算方式

    机床的精度指标会随着时间变化而发生变化，根据这个特点，可以采用SOBOL全局敏感度分析法进行分析，主要对精度指标误差变化均匀值与机床空间位置精度保持度的关系进行分析，对关键性误差源进行识别，从而为提升机床精度保持性提供更多可靠的依据和支持[3]。要分析敏感度，可以使用机床空间位置精度保持模型。机床的精度指标有n项，输入量选用影响误差变化均匀值，进而组成空间Ω;输出量选择机床在x、y、z坐标方向的空间位置精度保持度。具体计算方式如下：

    在公式中，G表示n项精度的误差变化均匀适量。沿着x坐标方向空间位置精度保持度，分析各项误差的敏感性，其精度保持度的如下：? ? ? 。

    （二）案例分析

    在实际评价分析的过程中，首先对数控机床精度进行长期监测。对三轴立式加工中心进行测试，其主要构成部分包括工作台、主轴箱、床身等等。使用ML10激光干涉仪进行误差项的检测，时间跨度为400天，检测9项精度，次数为10次。检测结束后，对精度保持性进行具体的评价。首次测量值选择机床测量精度指标检验标准，也就是机床的出厂精度的对应误差。利用前文所述公式，将具体的数据代入到公式之中，可以得到机床各个精度指标在对应时间节点中的精度保持性。通过计算可知，沒有测量精度指标的误差可以假设为0，测试精度指标在各个阶段中的保持度会大于0，被测试的精度会在精度要求的范围之内，随着时间的变化，精度保持度会逐渐减小。在最初测量时，精度指标误差与出厂标准相同，也就是说精度保持度是1;最后测试中，x轴从z的方向开始出现直线度的精度下降的情况，且直线度精度保持度最低，只达到了0.69;y轴也有同样的情况，但其保持度最高，达到0.90。将不同时间点测量所得的误差数据和历史数据带入到前文所述的算式之中，得到具体的误差变化均匀值，然后再进行更进一步的计算。最终获取影响机床加工精度的关键性误差，可以追溯到误差的源头，有助于精度的提升。

    结语：

    综上所述，在数控机床发展的过程中，提升数控机床精度保持性是十分重要的优化内容。相较于国外的高档数控机床，我国数控机床精度保持性较差。利用文中所述的计算方式，可以了解关键性误差的来源，有助于数控机床精度的提升。

    参考文献：

    [1]王永青，吴嘉锟，刘阔，et al.数控机床精度保持性的定量评价与误差敏感度分析[J].机械工程学报，2019，55（5）：130-136.

    [2]范晋伟，吕琦，FANJinwei，et al.复合数控机床几何误差建模及灵敏度分析[J].制造技术与机床，2017（3）：69-73.

    [3]刘明先.数控机床产生的误差分析及补偿[J].科技与创新，2017（1）：112-113.