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NSK定位精度的测量示例与原因分析

2019/4/17 17:44:44

定位精度这样的词语使用非常广泛,到底如何定义还没有明确的规定。一般来说美国机床工业协会的提案被最广泛地使用。
这种考虑方法是,由任意一点,重复7次进行同一方向的定位,得出的数据中计算出平均值X和离散程度σ,定义以X为中心偏差±3σ, 即范围内的最大/最小值为系统精度,同时定义±3σ是重复精度。这个方法初看很合理,但只有在实际误差符合正态分布的时候才合适,在误差是有特殊规律的时候则是错误的。并且,只有这种评价方法的时候误差的原因分析也很困难。
笔者这里介绍别的随着平台的连续移动测量,从出现的周期性规律力评价误差原因的手法。

5.1. 机床的定位精度测量

对一台半闭环控制的机床中使用光栅尺进行测量,得出很大的误差(30~40μm/240mm)。为了寻找原因,使用激光测长仪对定位精度,姿势精度进行测量。测量点如图9所示。

图9:测量位置

图10表示平台的垂直转向精度和水平转向精度,特别是水平转向精度的误差很大。图11表示各个测量点中用光栅尺和激光测长仪测量定位精度的结果,用实线表示。各个测量点的结果有很大不同。计算出包括所有位置误差从图10所示的姿势精度在内的各个测量点的所有位置误差,再加上滚珠丝杠的导程精度的值,在图11中用虚线表示。可以看出,这和定位精度基本一致,但是,如点划线所示滚珠丝杠的导程误差非常小,定位精度基本由姿势精度而决定。
一般平直度作为平台的姿势精度来测量的情况很多,在行程比较小的场合,测量结果只有4μm,虽然往往被误解为精度很高,但也能了解这对定位精度的影响很大。 
平台的姿势精度受定位精度的影响很大,并且在广范围的变动误差中温度上升对姿势精度也有很大程度的影响。 
在全闭环控制的时候姿势精度的影响也会出现,比如使用光栅尺对位置进行控制时平台中心会有大的定位精度误差存在。

图10:姿势精度&图11:姿势精度对定位精度的影响

5.2 空程的评价

图12展示了NC机械步进进给的结果,产生了20μm的空程。使用同样的机器,不断增大运送速度进行测量,如图13所示,空程量为负(移动过了)。这是因为启动时相对于指令实际的运动有所延迟,因此停止时出现了超程。

图12:步进进给的空程&图13:空程实验

图14是建立了延迟和超程状态的力学模型。如模型所示,延迟和超程在力学上都是同一个关系,所以往复的空程是启动时的延迟或停止时的超程的2倍。现在,如果只出现延迟而不出现超程,将会成为图12一样的空程,如图13所示相比延迟超程的误差较大。

图14:延迟与超程的力学关系

超程由于根据停止时的力学状态会发生变化,平台模型假定为1自由度的弹簧质量模型,求出运送速度和空程的关系,并与实测值做比较,如图15所示。可以看出,计算值和实测值比较吻合。

图15:空程与进给速度

5.3. 小型平台的测量

图16是精密定位平台中半闭环控制和全闭环控制下的定位精度的测量示例。这个平台由滚珠丝杠(导程3mm)和交叉滚子导轨构成,半闭环的编码器是1000分度/1转,全闭环是使用分辨率为0.1μm的光学光栅尺。测量结果显示,即使把测量误差包括在内,也具有较高的精度。

图16:半闭环控制与全闭环控制的定位精度

虽然这种评价方法评价讨论此平台具有何种水平的精度,但无法知道此精度内包含了怎样的误差要素。为了探讨误差原因,如图17所示,为测量连续进给进度的结果。测量方法是触发电机内藏的编码器,1转中采集100点数据,发现出了周期性的误差成成分。为了分析这个狭范围变动成分,将数据经过倾斜补正后,通过平滑处理(移动平均),纵轴扩大处理后得到图18的图形。这次测量虽然使用了激光测长仪,但一位微小振动或空气状态等环境因素有±0.1~0.2μm的波动。为了消除这种成分对数据进行了平滑处理。

图17:连续进给精度&图18:平滑处理与放大

图19展示了对原波形的一部分进行频率分析的结果。从图中可以得知,在0.25~0.4cycle/rev.和1cycle/rev.附近有特征频率出现。图20是通过逆傅立叶变换滤波了0.5cycle/rev.以下的频率的成分之后的结果。高频成分包含在内,周期3mm(1转)的成分几乎占了全部。即使考虑这次测量使用的编码器的1转的累积误差为基本分辨率的1/10,也会存在每转0.3μm的周期误差。实测的误差是0.5~0.7μm,至少一半以上是编码器的误差,剩下的推测是滚珠丝杠振动回转产生的误差和导程误差。

图19:频率分析

图20为逆转1周且滤掉了周期成分(0.8~1.2cycle/rev.)的结果。出现了高频成分的乱波,周期12mm(0.25cycle/rev.)的成分为0.5~0.6um。这个成分与螺纹磨床的螺纹导程一致,因此认为是由于滚珠丝杠的导程误差引起的。可以根据分析连续进给精度的周期性,分离出各要素的误差,进行评价。

图20:周期成分分离

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