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            精機(jī)產(chǎn)品?技術(shù)報(bào)告:滾珠絲杠?直線引導(dǎo)裝置對定位精度的影響

            1. 前言

            機(jī)械構(gòu)造中的平臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)是決定軸方向精度的重要的運(yùn)行機(jī)構(gòu)。
            隨著NC機(jī)床精度的提高和現(xiàn)在半導(dǎo)體制造設(shè)備、信息相關(guān)設(shè)備、超精密加工的發(fā)展,市場中不斷提出高精度的要求。
            在這里,將會(huì)以機(jī)構(gòu)里面重要的機(jī)械要素——滾珠絲杠、直線引導(dǎo)裝置為中心,對各要素對定位精度的影響進(jìn)行概述。

            2. 精密定位精度的因素

            圖1展示的是精密定位機(jī)構(gòu)中的構(gòu)成要素。雖說為定位精度,但需要的功能和精度是多種多樣的,因此使用的要素也要考慮多種組合。并不是哪個(gè)要素一定是好的,而是為了達(dá)到要求的功能和精度,哪個(gè)要素是合適的。
            另外,控制驅(qū)動(dòng)裝置當(dāng)然也發(fā)揮著極為重要的作用。提高定位系統(tǒng)的高精度化,并不是針對某單一要素的高精度化,關(guān)鍵在于對系統(tǒng)整體進(jìn)行探討和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
            其中,傳送螺紋作為使用的傳送機(jī)構(gòu)的要素之一,被業(yè)界內(nèi)廣泛使用。按照精度,要素分類多種多樣。從便宜的滑動(dòng)絲杠,到超精密角絲杠以及靜壓絲杠。
            在細(xì)微定位方面,壓電元件、直線電機(jī)等直接驅(qū)動(dòng)或摩擦驅(qū)動(dòng)裝置等都具有各種實(shí)用化的案例。
            雖然有各種各樣的傳送驅(qū)動(dòng)要素,但從價(jià)格、長時(shí)間的穩(wěn)定性、行程?剛度?負(fù)載容量?速度的響應(yīng)性、控制的難易程度、使用的便利性等方面進(jìn)行考慮,滾珠絲杠擁有諸多特長。
            引導(dǎo)機(jī)構(gòu)中會(huì)利用各種的要素,其中滑動(dòng)引導(dǎo)(動(dòng)壓引導(dǎo))是最常見的。但在現(xiàn)今高精度高速度化的要求下,受到引導(dǎo)部位的游隙、摩擦力隨速度、外力的變化、低速時(shí)的粘滑、高速時(shí)的耐久性等問題的影響,靜壓引導(dǎo)和滾動(dòng)引導(dǎo)的使用在逐漸增加。另外在真空等環(huán)境下磁懸浮引導(dǎo)也逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。

            圖1:精密定位精度的因素

            3. 滾珠絲杠定位精度的影響因素

            3.1. 導(dǎo)程精度

            滾珠絲杠的導(dǎo)程精度是1980年制成了JIS標(biāo)準(zhǔn),1987年進(jìn)行了部分訂正,規(guī)定了(1)累計(jì)代表移動(dòng)量誤差、(2)相對絲杠部分有效長度的最大幅度、(3)任意300mm的最大幅度、(4)任意一圈轉(zhuǎn)動(dòng)的最大幅度等共4個(gè)特性。
            雖然滾珠絲杠要求的功能是螺母的進(jìn)給精度,但一般對軸單體的導(dǎo)程精度進(jìn)行測量的情況比較多。導(dǎo)程精度分為廣范圍和狹范圍,相對來說,廣范圍精度因?yàn)榧庸ぞ群煤腿菀籽a(bǔ)正的原因,很少出現(xiàn)問題。今后為了應(yīng)對高精度化的需要,狹范圍精度會(huì)越發(fā)重要。
            圖2是最高精度C0級(jí)的導(dǎo)程誤差的一個(gè)示例。累計(jì)代表移動(dòng)量誤差是1μm/208mm,相對絲杠部分有效長度的最大幅度是2μm,螺母組裝狀態(tài)的最大幅度不超過0.9μm,是規(guī)格值的1/2以下。
            誤差變動(dòng)的特征成分是溝道磨床中軸的1圈轉(zhuǎn)動(dòng)的成分(12mm周期),雖然單體是1~1.5μm,但因?yàn)槁菽附M裝后的平均化效果會(huì)減少到0.5μm以下。一般相比單體的狹范圍的誤差,螺母組裝后有1/2到1/3的減少。

            圖2:滾珠絲杠定位精度的影響因素

            3.2. 非同期成分

            上述的導(dǎo)程精度即使周期不一樣,均會(huì)出現(xiàn)軸的旋轉(zhuǎn)同期成分。滾動(dòng)要素中由于會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的非同期成分,在超精密的領(lǐng)域會(huì)成為主要問題。原因在于滾道面的粗糙度、真圓度、滾動(dòng)體外徑之間的相互差、真球度不良等,更有循環(huán)機(jī)構(gòu)引起的滾動(dòng)體在出入過程中引起的振動(dòng)問題。根據(jù)塚田等1)的報(bào)告,在一個(gè)移動(dòng)誤差在0.4~0.5μm的平臺(tái)上,將原本使用的滾珠絲杠使用保持架或者合成樹脂的間隔鋼球,移動(dòng)誤差將會(huì)降低至0.1μm以下。鋼球通過成分不單會(huì)通過振動(dòng)的形式出現(xiàn),還會(huì)通過扭矩變動(dòng)的形式出現(xiàn),這容易引起電機(jī)輸出扭矩的移動(dòng)誤差。這類誤差不同于同期成分,很難通過控制補(bǔ)償來補(bǔ)正,而且出現(xiàn)在滾珠絲杠應(yīng)用在超精密領(lǐng)域的時(shí)候,正確的評(píng)價(jià)研究案例很少,是今后的重要課題之一。

            3.3. 安裝部精度、安裝誤差

            即使導(dǎo)程精度是高精度的,如果不正確進(jìn)行安裝,定位精度也會(huì)變差。1987年的JIS訂正中,認(rèn)識(shí)到了滾珠絲杠安裝部精度的重要性,因此規(guī)格值比以前變更的更為嚴(yán)格,并且今后會(huì)有更加嚴(yán)格的趨勢。
            如果滾珠絲杠、軸承和引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的同心度差,就容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)的誤差,容易和導(dǎo)程誤差混淆。根據(jù)米田2)的案例報(bào)告,將螺母和支撐軸承的同心度控制到原來的數(shù)分之一,超精密切削時(shí)的導(dǎo)程誤差特征將會(huì)消失。

            圖3展示了在空氣靜壓導(dǎo)軌的引導(dǎo)下,C0級(jí)滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接,移動(dòng)時(shí)的位置變化測量示例3)。雖然出現(xiàn)了回轉(zhuǎn)振動(dòng)成分,但幅度很小。并且,在要進(jìn)一步減少時(shí),將螺母與平臺(tái)只在軸方向上固定,其他方向自由的安裝方法也已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用4~7)。

            圖3:滾珠絲杠回轉(zhuǎn)引起的平臺(tái)振動(dòng)5)

            3.4. 剛度

            圖4:支撐條件,螺母行程位置及剛性關(guān)系
            如果滾珠絲杠整體的剛度弱,就會(huì)發(fā)生空程。滾珠絲杠整體的剛度并不只是螺母內(nèi)部剛度(鋼球和溝道之間的剛度),還有絲杠軸的伸縮、支撐軸承的剛度等因素,需要整體進(jìn)行考慮。一般絲杠軸的伸縮占的比例最大,該剛度受的支撐條件影響很大。
            如圖4所示,固定—支撐(軸方向自由)時(shí),隨著螺母位置,剛度的變化較大,固定—固定時(shí)的剛性較高,且變化更小。
            固定—固定的條件下雖然對高精度化更有利,但也有因?yàn)榻z杠軸熱膨脹而使支撐軸承過負(fù)載等問題。這種時(shí)候使用固定—半固定的構(gòu)造比較多8)。

            3.5. 摩擦力矩

            圖5:摩擦力矩的變動(dòng)方式

            滾珠絲杠的摩擦本來就很小,感覺上可以為了提高剛度而加大預(yù)緊力。但是,在精密定位方面,因?yàn)闈L珠絲杠和支撐軸承的扭矩(特別是摩擦力矩波動(dòng))變化引起的控制系統(tǒng)累計(jì)脈沖的變動(dòng),會(huì)引起定位精度的誤差。因此摩擦力矩的穩(wěn)定越來越很重要,在1987年JIS訂正中對摩擦力矩的規(guī)格進(jìn)行了定義,對基準(zhǔn)例句Tp和相對基準(zhǔn)例句的變化規(guī)格值進(jìn)行了規(guī)定。
            摩擦力矩的變動(dòng)也有廣范圍和狹范圍的變動(dòng)。廣范圍變動(dòng)的原因主要是因?yàn)榻z杠軸溝道徑的誤差而引起的預(yù)緊量的變化(定位預(yù)緊的情況)。如果剛度沒有問題,使用定壓預(yù)緊時(shí)這種變化會(huì)變得非常小。狹范圍變動(dòng)是由絲杠軸溝道面的精度、形狀精度、循環(huán)路的設(shè)計(jì)/加工精度等因素引起的。狹范圍變動(dòng)在低速和搖動(dòng)時(shí)特別明顯,使用間隔鋼球?qū)Ω纳篇M范圍變動(dòng)有很好的效果。

            相比滑動(dòng)絲杠,滾珠絲杠被認(rèn)為摩擦力矩小但變動(dòng)大,但如圖6所示,現(xiàn)在已經(jīng)已經(jīng)有了很大的改善。
            如同后面會(huì)論述,在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),潤滑劑粘度的影響會(huì)使摩擦力矩增大。相反超低速運(yùn)行時(shí),潤滑劑的特性會(huì)對摩擦力矩產(chǎn)生影響。
            如前面所述,滾珠絲杠的安裝誤差也會(huì)與摩擦力矩變動(dòng)有關(guān)系。如果安裝精度差,伴隨著鋼球通過成分的變化,摩擦力矩隨著扭轉(zhuǎn)力的增大而增大,特別在低速領(lǐng)域會(huì)有摩擦力矩異常增大的情況發(fā)生。

            圖6:低速摩擦力矩測量實(shí)例

            3.6. 熱膨脹

            隨著高速化的推進(jìn),滾珠絲杠熱變形的影響越來越大。
            滾珠絲杠的溫度上升可以通過質(zhì)點(diǎn)系的簡化而用以下計(jì)算公式求出。

            在這里,
            • θ:溫度上升 (°C)
            • t: 時(shí)間 (h)
            • Q: 單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量 (kcal/h)
            • β:單位時(shí)間單位溫度內(nèi)的放熱量 (kcal/h?°C)
            • CM:熱容比 (kcal/°C)
            熱變形可以通過熱膨脹系數(shù)和溫度上升值而求出。
            以下整理出熱變形的對策。
            在考慮實(shí)際的機(jī)械的發(fā)熱量時(shí)因?yàn)殡姍C(jī)和支撐軸承的發(fā)熱也很大,不能只考慮滾珠絲杠的影響。這里只針對滾珠絲杠單體的影響進(jìn)行考量,影響因素有摩擦力矩和轉(zhuǎn)速。
            摩擦力矩由負(fù)載項(xiàng)T F和速度項(xiàng)TV的和組成。滾珠絲杠的受力由預(yù)緊力和外部載荷組成,但預(yù)緊滾珠絲杠的外部載荷影響小,因此TF的計(jì)算中只計(jì)算預(yù)緊摩擦力矩是沒有問題。如前說述,即使預(yù)緊量增大,全體體系的剛度也不會(huì)明顯增加,所以預(yù)緊力的設(shè)定以最小限度為好。
            速度項(xiàng)TV是由潤滑劑的粘著抵抗和攪拌抵抗而產(chǎn)生的摩擦形成的。粘度對TV的影響很大,因此潤滑劑的選擇非常重要。筆者考慮了潤滑性能,在輕負(fù)載?輕摩擦力矩領(lǐng)域里推薦使用40℃(基油)粘度的10~30cSt,在大負(fù)載領(lǐng)域里推薦使用35~50cSt的潤滑劑。
            轉(zhuǎn)速與發(fā)熱量成正比。但是,因?yàn)樯崃恳埠娃D(zhuǎn)速有關(guān)系,因此溫升與轉(zhuǎn)速的0.5次方成比例。無論如何,低轉(zhuǎn)速溫升較低,因此伴隨著高速化也有導(dǎo)程加大的傾向。
            發(fā)熱量由取決于以下幾方面的和(1)滾珠絲杠表面的熱傳遞、(2)向絲杠軸端的熱傳遞、(3)螺母向螺母座的熱傳遞、(4)強(qiáng)制冷卻的散熱 。
            如上述所說,通過選擇適合的預(yù)緊量和潤滑劑,可以有效地抑制溫升。為了今后進(jìn)一步高速化,要考慮使用一些強(qiáng)制冷卻手段。
            強(qiáng)制冷卻有各種各樣的方法,冷卻對象分為螺母和絲杠軸。螺母冷卻因?yàn)椴皇侵苯訉z杠軸進(jìn)行冷卻,冷卻效果較小,軸冷卻的效果比較好。在絲杠軸外周或中空軸冷卻都在實(shí)際應(yīng)用上沒有問題。冷卻流體按效果排序分別是水、油、空氣。雖然空氣因?yàn)榱髁康脑蚶鋮s效果較小,但因?yàn)橛辛黧w不用回收等優(yōu)點(diǎn)也有使用。中空滾珠絲杠作為強(qiáng)制冷卻用滾珠絲杠已經(jīng)進(jìn)行了系列化,各種效果也已經(jīng)作成了各種報(bào)告。
            回避溫升的影響的方法也有各種各樣的提案。用低膨脹系數(shù)的材料來制作絲杠軸可以減少熱變形,但是材料強(qiáng)度、成本等因素在應(yīng)用時(shí)要優(yōu)先考慮。
            最常使用的方法是絲杠軸的預(yù)拉伸。但是在軸旋轉(zhuǎn)的情況下,一般考慮溫升2~3°C相當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸力,特別情況也有考慮5°C相當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸力。前述的強(qiáng)制冷卻和預(yù)拉伸力一起使用在不必考慮高精度冷卻能力的時(shí)候非常有效果。
            根據(jù)垣野9)的報(bào)告,也有通過實(shí)時(shí)監(jiān)察電機(jī)上的負(fù)載和速度,預(yù)測溫升和絲杠軸熱變形,從而進(jìn)行補(bǔ)正的方法。
            閉環(huán)控制時(shí),熱變形并不會(huì)產(chǎn)生直接的影響。雖然這是高精度化的有效方法,但因?yàn)槌杀旧仙涂刂评щy等原因也并不是萬能的。

            4. 直線引導(dǎo)裝置的影響

            如前說述,有各種各樣的直線引導(dǎo)裝置。因?yàn)榻隄L動(dòng)引導(dǎo)滑塊有很多使用案例,這里主要對交叉滾子導(dǎo)軌(非循環(huán)滾子類型)、直線導(dǎo)軌(循環(huán)球類型)引起的定位精度的相關(guān)問題進(jìn)行闡述。

            4.1. 交叉滾子導(dǎo)軌

            4.1.1. 安裝和安裝精度

            這種直線引導(dǎo)是由導(dǎo)軌與基臺(tái)組裝,調(diào)整間隙后得到相應(yīng)的性能的。所以如果不進(jìn)行正確的安裝就不能得到高精度的引導(dǎo),必須十分地注意安裝方法。
            導(dǎo)軌的溝道面的粗糙度和彎曲固然已經(jīng)很小,但溝道的垂直度和形狀也很重要。因?yàn)榛瑝K的安裝面最后是通過無間隙地安裝導(dǎo)軌得到的,所以要得到高精度的運(yùn)行精度就必須使導(dǎo)軌精度達(dá)到同等級(jí)的精度。通常通過橫壓螺釘來調(diào)整組裝后的壓緊力,但在擰緊螺釘時(shí)會(huì)使導(dǎo)軌變形,從而使運(yùn)行精度惡化。因此會(huì)在導(dǎo)軌和橫壓螺釘之間放入橫壓版,使螺釘力得到平均化。

            4.1.2. 運(yùn)行精度

            這種類型的引導(dǎo)如果得到正確的組裝,將會(huì)得到良好的運(yùn)行精度。
            交叉滾子導(dǎo)軌(其他非循環(huán)導(dǎo)軌同理)隨著平臺(tái)的位置變化,支撐的滾動(dòng)體的位置是相對移動(dòng)的,因此預(yù)緊量和剛度在變化,運(yùn)行精度也會(huì)變差。所以希望滾動(dòng)體部分的全長比最大的行程要長。因?yàn)闈L子徑的相互差會(huì)引起運(yùn)行精度在狹范圍內(nèi)的變動(dòng)和使非同期成分的產(chǎn)生,依據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn),如果上述的滾子部全長變長,可以得到平均化效果,對運(yùn)行精度也有影響。
            根據(jù)這樣的對策,行程350mm的平臺(tái)的水平/垂直方向的直線度可以達(dá)到0.6μm,垂直轉(zhuǎn)向達(dá)到1.9秒,偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向達(dá)到0.5秒。

            4.1.3. 微小滑動(dòng)

            這樣的非循環(huán)型直線滑塊外形小,并且和循環(huán)型相比沒有因循環(huán)引起的非同期變動(dòng)成分,適合高精度使用。
            但是,非循環(huán)型直線滑塊也有缺點(diǎn),其中之一就是微小滑動(dòng)這一現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象是在平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中保持架相對與導(dǎo)軌的相對位置會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)地偏移,最終保持架會(huì)脫離出導(dǎo)軌。雖然導(dǎo)軌的兩端會(huì)安裝止動(dòng)裝置,但保持架會(huì)撞到止動(dòng)裝置造成運(yùn)行精度不良,也會(huì)產(chǎn)生保持架破損。
            作為對策,有嘗試使用齒輪架或者鋼絲等來矯正導(dǎo)軌和保持架的位置,但結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,這個(gè)特性的類型也會(huì)損壞。
            筆者在詳細(xì)地對微小滑動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確認(rèn)之后發(fā)現(xiàn),在滾子和導(dǎo)軌都保持著正常精度的情況下,微小滑動(dòng)容易因?yàn)轭A(yù)緊不均勻和潤滑性能過于良好而引起,相反,對滾子進(jìn)行特殊的表面處理可以抑制這種現(xiàn)象。并且在一般的使用范圍內(nèi),微小滑動(dòng)現(xiàn)象可能不會(huì)發(fā)生。但是,在平臺(tái)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的情況下會(huì)造成預(yù)緊不均勻的現(xiàn)象,所以需要注意,要像前文說述一樣盡量加長滾子部位的長度,使載荷得到平均化。

            4.2. 直線導(dǎo)軌

            直線導(dǎo)軌因?yàn)閷?dǎo)軌很長,導(dǎo)軌的精度最后由導(dǎo)軌安裝面的形狀來決定。所以必須制造高精度的引導(dǎo)面,使得引導(dǎo)面的平直度、安裝面之間的平行度都高精度化。這種情況下,安裝面的粗糙度并不是問題,形狀精度才是重要的,所以并不是必須使用研磨加工。
            雖然基本情況下引導(dǎo)面的精度會(huì)影響安裝面精度,但現(xiàn)實(shí)中受導(dǎo)軌和滑塊之間的相互干涉、接觸部位的變形等平均化效果的影響,安裝面精度的影響會(huì)降低到1/2~1/10。圖7是從安裝面精度到安裝體精度的測量示例,可以明顯看出上述現(xiàn)象。
            特別是在安裝面經(jīng)過削刮加工后達(dá)到1~2μm粗糙度后,用治具測量的例子中,垂直轉(zhuǎn)向達(dá)到0.2μm/360mm ,偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向達(dá)到0.8μm/390mm,得到了逼近靜壓引導(dǎo)的高精度。
            直線導(dǎo)軌(其他滾動(dòng)體循環(huán)類型同理)有向平直度這樣的廣范圍變動(dòng),也有滾動(dòng)體循環(huán)關(guān)聯(lián)的狹范圍變動(dòng)。

            圖7:直線導(dǎo)軌的工作臺(tái)平直度

            狹范圍變動(dòng)的原因之一是螺釘鎖緊引起的誤差。這是因螺釘固定的鎖緊力導(dǎo)致導(dǎo)軌和導(dǎo)軌溝道的變形而引起的。這種誤差的消除,可以通過使加工的安裝時(shí)的螺釘鎖緊力等于實(shí)際使用時(shí)的鎖緊力,再進(jìn)行溝道研磨來解決。
            還有一個(gè)原因,是鋼球在出入負(fù)載圈過程中引起的鋼球通過成分。這種成分是因?yàn)閮A斜誤差引起的,所以在加工點(diǎn)在平臺(tái)的懸垂點(diǎn)時(shí)會(huì)增大,是一種平直度的狹范圍變動(dòng)。
            這種變動(dòng)是因?yàn)殇撉蛟诔鋈胴?fù)載圈時(shí)引起的,為了使鋼球順滑地出入負(fù)載圈,可以把滑塊溝道的端部設(shè)計(jì)成緩緩傾斜的形狀(Crowning),使這種變動(dòng)減少。這種變動(dòng)在預(yù)緊大的時(shí)候變動(dòng)值會(huì)變大,并且和滑塊單體相比,平臺(tái)安裝后因?yàn)槠骄男Ч儎?dòng)會(huì)變得很小。
            所以,為了減小這種變動(dòng),提高鋼球接觸部位的剛度,設(shè)計(jì)出預(yù)緊力引起彈性變形小的溝道形狀(NSK-LY型);適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)Crowning的型狀;從整體設(shè)計(jì)的角度出發(fā),因?yàn)檎`差會(huì)隨著角度擴(kuò)大,所以為了控制懸垂量,滑塊之間要設(shè)計(jì)足夠的跨距;預(yù)緊力設(shè)計(jì)在最小限度;滑塊數(shù)增加提高平均化效果等等。如圖8的測量示例所示,標(biāo)準(zhǔn)品在懸垂300mm位置的變動(dòng)量是0.16μm,特殊Crowning使用后可以得到0.07μm以下的變動(dòng)量。

            圖8:直線導(dǎo)軌的鋼球通過振動(dòng)

            5. 定位精度的測量示例與原因分析

            定位精度這樣的詞語使用非常廣泛,到底如何定義還沒有明確的規(guī)定。一般來說美國機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)的提案被最廣泛地使用。
            這種考慮方法是,由任意一點(diǎn),重復(fù)7次進(jìn)行同一方向的定位,得出的數(shù)據(jù)中計(jì)算出平均值X和離散程度σ,定義以X為中心偏差±3σ, 即 范圍內(nèi)的最大/最小值為系統(tǒng)精度,同時(shí)定義±3σ是重復(fù)精度。這個(gè)方法初看很合理,但只有在實(shí)際誤差符合正態(tài)分布的時(shí)候才合適,在誤差是有特殊規(guī)律的時(shí)候則是錯(cuò)誤的。并且,只有這種評(píng)價(jià)方法的時(shí)候誤差的原因分析也很困難。
            筆者這里介紹別的隨著平臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)測量,從出現(xiàn)的周期性規(guī)律力評(píng)價(jià)誤差原因的手法。

            5.1. 機(jī)床的定位精度測量

            對一臺(tái)半閉環(huán)控制的機(jī)床中使用光柵尺進(jìn)行測量,得出很大的誤差(30~40μm/240mm)。為了尋找原因,使用激光測長儀對定位精度,姿勢精度進(jìn)行測量。測量點(diǎn)如圖9所示。

            圖9:測量位置

            圖10表示平臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)向精度和水平轉(zhuǎn)向精度,特別是水平轉(zhuǎn)向精度的誤差很大。圖11表示各個(gè)測量點(diǎn)中用光柵尺和激光測長儀測量定位精度的結(jié)果,用實(shí)線表示。各個(gè)測量點(diǎn)的結(jié)果有很大不同。計(jì)算出包括所有位置誤差從圖10所示的姿勢精度在內(nèi)的各個(gè)測量點(diǎn)的所有位置誤差,再加上滾珠絲杠的導(dǎo)程精度的值,在圖11中用虛線表示??梢钥闯?,這和定位精度基本一致,但是,如點(diǎn)劃線所示滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差非常小,定位精度基本由姿勢精度而決定。
            一般平直度作為平臺(tái)的姿勢精度來測量的情況很多,在行程比較小的場合,測量結(jié)果只有4μm,雖然往往被誤解為精度很高,但也能了解這對定位精度的影響很大。
            平臺(tái)的姿勢精度受定位精度的影響很大,并且在廣范圍的變動(dòng)誤差中溫度上升對姿勢精度也有很大程度的影響。
            在全閉環(huán)控制的時(shí)候姿勢精度的影響也會(huì)出現(xiàn),比如使用光柵尺對位置進(jìn)行控制時(shí)平臺(tái)中心會(huì)有大的定位精度誤差存在。

            圖10:姿勢精度&圖11:姿勢精度對定位精度的影響

            5.2 空程的評(píng)價(jià)

            圖12展示了NC機(jī)械步進(jìn)進(jìn)給的結(jié)果,產(chǎn)生了20μm的空程。使用同樣的機(jī)器,不斷增大運(yùn)送速度進(jìn)行測量,如圖13所示,空程量為負(fù)(移動(dòng)過了)。這是因?yàn)閱?dòng)時(shí)相對于指令實(shí)際的運(yùn)動(dòng)有所延遲,因此停止時(shí)出現(xiàn)了超程。

            圖12:步進(jìn)進(jìn)給的空程&圖13:空程實(shí)驗(yàn)

            圖14是建立了延遲和超程狀態(tài)的力學(xué)模型。如模型所示,延遲和超程在力學(xué)上都是同一個(gè)關(guān)系,所以往復(fù)的空程是啟動(dòng)時(shí)的延遲或停止時(shí)的超程的2倍?,F(xiàn)在,如果只出現(xiàn)延遲而不出現(xiàn)超程,將會(huì)成為圖12一樣的空程,如圖13所示相比延遲超程的誤差較大。

            圖14:延遲與超程的力學(xué)關(guān)系

            超程由于根據(jù)停止時(shí)的力學(xué)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化,平臺(tái)模型假定為1自由度的彈簧質(zhì)量模型,求出運(yùn)送速度和空程的關(guān)系,并與實(shí)測值做比較,如圖15所示??梢钥闯觯?jì)算值和實(shí)測值比較吻合。

            圖15:空程與進(jìn)給速度

            5.3. 小型平臺(tái)的測量

            圖16是精密定位平臺(tái)中半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制下的定位精度的測量示例。這個(gè)平臺(tái)由滾珠絲杠(導(dǎo)程3mm)和交叉滾子導(dǎo)軌構(gòu)成,半閉環(huán)的編碼器是1000分度/1轉(zhuǎn),全閉環(huán)是使用分辨率為0.1μm的光學(xué)光柵尺。測量結(jié)果顯示,即使把測量誤差包括在內(nèi),也具有較高的精度。

            圖16:半閉環(huán)控制與全閉環(huán)控制的定位精度

            雖然這種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)討論此平臺(tái)具有何種水平的精度,但無法知道此精度內(nèi)包含了怎樣的誤差要素。為了探討誤差原因,如圖17所示,為測量連續(xù)進(jìn)給進(jìn)度的結(jié)果。測量方法是觸發(fā)電機(jī)內(nèi)藏的編碼器,1轉(zhuǎn)中采集100點(diǎn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)出了周期性的誤差成成分。為了分析這個(gè)狹范圍變動(dòng)成分,將數(shù)據(jù)經(jīng)過傾斜補(bǔ)正后,通過平滑處理(移動(dòng)平均),縱軸擴(kuò)大處理后得到圖18的圖形。這次測量雖然使用了激光測長儀,但一位微小振動(dòng)或空氣狀態(tài)等環(huán)境因素有±0.1~0.2μm的波動(dòng)。為了消除這種成分對數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑處理。

            圖17:連續(xù)進(jìn)給精度&圖18:平滑處理與放大

            圖19展示了對原波形的一部分進(jìn)行頻率分析的結(jié)果。從圖中可以得知,在0.25~0.4cycle/rev.和1cycle/rev.附近有特征頻率出現(xiàn)。圖20是通過逆傅立葉變換濾波了0.5cycle/rev.以下的頻率的成分之后的結(jié)果。高頻成分包含在內(nèi),周期3mm(1轉(zhuǎn))的成分幾乎占了全部。即使考慮這次測量使用的編碼器的1轉(zhuǎn)的累積誤差為基本分辨率的1/10,也會(huì)存在每轉(zhuǎn)0.3μm的周期誤差。實(shí)測的誤差是0.5~0.7μm,至少一半以上是編碼器的誤差,剩下的推測是滾珠絲杠振動(dòng)回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差和導(dǎo)程誤差。

            圖19:頻率分析

            圖20為逆轉(zhuǎn)1周且濾掉了周期成分(0.8~1.2cycle/rev.)的結(jié)果。出現(xiàn)了高頻成分的亂波,周期12mm(0.25cycle/rev.)的成分為0.5~0.6um。這個(gè)成分與螺紋磨床的螺紋導(dǎo)程一致,因此認(rèn)為是由于滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差引起的??梢愿鶕?jù)分析連續(xù)進(jìn)給精度的周期性,分離出各要素的誤差,進(jìn)行評(píng)價(jià)。

            圖20:周期成分分離

            6. 后記

            以滾珠絲杠和滾動(dòng)引導(dǎo)裝置對定位精度的影響因素進(jìn)行了討論。
            今后考慮超精密定位的課題時(shí),可以確立各種各樣的有意義的課題。
            本文沒有對運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問題進(jìn)行論述。如果有機(jī)會(huì),會(huì)討論高加減速響應(yīng)和2軸定位的周期精度。

            本報(bào)告只限定討論定位精度,但實(shí)際使用過程中,清潔環(huán)境、真空環(huán)境、非磁性環(huán)境或高速化下帶來的振動(dòng)、噪音等也是一個(gè)課題。
            如果本文由內(nèi)容不充足或者語言不到位的地方,請指出。如果本文能在定位機(jī)構(gòu)因素的技術(shù)上貢獻(xiàn)微薄之力,本人也會(huì)倍感到榮幸。

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