伺服系統(tǒng)中滾珠絲杠的熱誤差

伺服系統(tǒng)用于控制被控對(duì)象的某種狀態(tài)，使其能夠自動(dòng)、連續(xù)、準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)，隨著電力的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)。伺服系統(tǒng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，一方面是生產(chǎn)需求，特別是軍用需求的動(dòng)力；另一方面，它與控制裝置、執(zhí)行器和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展密切相關(guān)。

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的功能是傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括齒輪齒條、同步齒形帶、滾珠絲杠等。

滾珠絲杠作為伺服系統(tǒng)常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，是為滿足客戶需求而開發(fā)的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。伺服系統(tǒng)的要求，用于精度要求較高的場(chǎng)合。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)精度高、磨損小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、高精度進(jìn)料平臺(tái)等精密設(shè)備。.

伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床等精密加工設(shè)備中廣泛使用的核心部件，其性能的好壞直接影響到加工設(shè)備的精度和效率。其中，伺服控制系統(tǒng)的定位精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度，因此定位精度是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。伺服系統(tǒng)的定位精度與控制方式有關(guān)，包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制等。下面先介紹三種控制方式下伺服系統(tǒng)的定位精度，然后以常用的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)為例，分析滾珠絲杠的熱誤差對(duì)伺服系統(tǒng)的影響。

當(dāng)伺服系統(tǒng)處于開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制模式時(shí)，稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。回路伺服系統(tǒng)，分別。開環(huán)伺服系統(tǒng)中沒(méi)有反饋信號(hào)，常采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器。由于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)誤差和機(jī)械系統(tǒng)的誤差會(huì)直接影響其定位精度，因此開環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度較低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)定位精度低。由于伺服系統(tǒng)有輸出反饋，系統(tǒng)可以達(dá)到更高的定位精度；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)也有反饋，但反饋不取白色輸出，通常取自系統(tǒng)中間過(guò)程中的等效信號(hào)，等效信號(hào)可以通過(guò)轉(zhuǎn)換間接表示輸出，因?yàn)榘腴]環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度介于開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。

開環(huán)伺服系統(tǒng)由于定位精度低，很少用于數(shù)控機(jī)床等精密加工設(shè)備。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，直接測(cè)量工作臺(tái)的位置信號(hào)，需要安裝和維護(hù)光柵、磁尺或直線感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置。相比之下，如果使用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，只需要旋轉(zhuǎn)編碼器、光電編碼器、盤式感應(yīng)同步器等檢測(cè)元件即可測(cè)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，間接獲得位置的等效反饋信號(hào)輸出。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等精密加工設(shè)備的控制系統(tǒng)。

在典型的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，工作臺(tái)的定位誤差由兩部分組成。一是系統(tǒng)對(duì)電機(jī)角度的控制誤差，與角度測(cè)量裝置、控制算法特性、摩擦力等干擾因素有關(guān)。需要安裝高精度的測(cè)量裝置，改進(jìn)控制算法，排除干擾以減少誤差；另一部分是電機(jī)對(duì)工作臺(tái)之間的機(jī)械系統(tǒng)誤差，包括滾珠絲杠熱誤差、螺距誤差、齒隙等。

在影響半閉環(huán)伺服系統(tǒng)定位精度的眾多因素中，更換高精度測(cè)角裝置，改進(jìn)控制算法，顯著降低系統(tǒng)控制誤差；絲杠螺距誤差和側(cè)隙可根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2-2000（機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分?jǐn)?shù)控軸定位精度和重復(fù)定位精度的測(cè)定與分析）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定GBIT17421.3-2009（機(jī)床檢驗(yàn)通則第3部分機(jī)床熱效應(yīng)的測(cè)定）補(bǔ)償；然而，滾珠絲杠的熱誤差是一個(gè)與溫度相關(guān)的量，在伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)難以測(cè)量和補(bǔ)償。

對(duì)于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)不包括從轉(zhuǎn)軸到工作臺(tái)的傳動(dòng)鏈，滾珠絲杠在反饋回路之外。這時(shí)，滾珠絲杠的熱變形誤差對(duì)系統(tǒng)的影響就特別嚴(yán)重。會(huì)直接影響伺服系統(tǒng)的定位精度，帶來(lái)不可忽略的定位誤差；對(duì)于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器位于伺服系統(tǒng)的反饋回路中，滾珠絲杠的熱誤差可視為系統(tǒng)擾動(dòng)，會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；對(duì)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，與半閉環(huán)伺服系統(tǒng)類似，滾珠絲杠的熱誤差會(huì)直接影響其定位精度。

因此，研究滾珠絲杠的熱變形規(guī)律及其熱誤差補(bǔ)償技術(shù)是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的有效方法。該方法可以提高伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)和定位精度，使數(shù)控機(jī)床在高速高效運(yùn)行下仍能保證較高的加工精度。滾珠絲杠熱誤差補(bǔ)償技術(shù)研究已成為機(jī)床熱誤差研究的重要研究方向，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究成果取得了一些進(jìn)展，但熱誤差環(huán)節(jié)無(wú)論從經(jīng)驗(yàn)上還是理論上都存在一定的不足。

為此，基于相關(guān)理論，對(duì)滾珠絲杠的熱誤差進(jìn)行了研究，并利用單軸半封閉伺服平臺(tái)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，建立了可以快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的溫度滾珠絲杠的溫度分布。場(chǎng)模型用于預(yù)測(cè)滾珠絲杠的熱誤差。目的是探索一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、準(zhǔn)確的滾珠絲杠熱誤差預(yù)測(cè)方法。

滾珠絲杠的溫度場(chǎng)模型可以反映絲杠的溫度分布和變化規(guī)律。基于該溫度場(chǎng)景的滾珠絲杠熱誤差預(yù)測(cè)方法在一定程度上豐富了伺服系統(tǒng)的熱誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)。對(duì)提高半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度有一定的好處。但是，伺服系統(tǒng)滾珠絲杠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的運(yùn)行條件與實(shí)際運(yùn)行條件仍有差異，存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，滾珠絲杠的運(yùn)行狀態(tài)變化頻繁，可能有多種不同的絲杠安裝方式，電機(jī)等其他熱源也會(huì)對(duì)滾珠絲杠產(chǎn)生一定的影響。

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