伺服系統(tǒng)中滾珠絲杠的熱誤差

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

機械傳動機構是伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的功能是傳遞扭矩和轉速，可以將旋轉運動轉化為直線運動。伺服系統(tǒng)的機械傳動機構包括齒輪齒條、同步齒形帶、滾珠絲杠等。

滾珠絲杠作為伺服系統(tǒng)常見的機械傳動機構之一，是為滿足客戶需求而開發(fā)的一種新型傳動機構。伺服系統(tǒng)的要求，用于精度要求較高的場合。這種傳動機構采用滾珠絲杠傳動，具有傳動效率高、傳動精度高、磨損小、使用壽命長等特點，廣泛應用于數(shù)控機床、三坐標測量機、高精度進料平臺等精密設備。.

伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床等精密加工設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)控機床的加工精度，因此定位精度是一個極其重要的指標。伺服系統(tǒng)的定位精度與控制方式有關，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伺服系統(tǒng)的影響。

當伺服系統(tǒng)處于開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制模式時，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)?；芈匪欧到y(tǒng)，分別。開環(huán)伺服系統(tǒng)中沒有反饋信號，常采用步進電機作為執(zhí)行器。由于步進電機的步進誤差和機械系統(tǒng)的誤差會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)中間過程中的等效信號，等效信號可以通過轉換間接表示輸出，因為半閉環(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)控機床等精密加工設備。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，直接測量工作臺的位置信號，需要安裝和維護光柵、磁尺或直線感應同步器等位置檢測裝置。相比之下，如果使用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，只需要旋轉編碼器、光電編碼器、盤式感應同步器等檢測元件即可測量電機旋轉角度，間接獲得位置的等效反饋信號輸出。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有安裝方便、維護簡單、成本低等優(yōu)點，廣泛應用于數(shù)控機床等精密加工設備的控制系統(tǒng)。

在典型的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，工作臺的定位誤差由兩部分組成。一是系統(tǒng)對電機角度的控制誤差，與角度測量裝置、控制算法特性、摩擦力等干擾因素有關。需要安裝高精度的測量裝置，改進控制算法，排除干擾以減少誤差；另一部分是電機對工作臺之間的機械系統(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，更換高精度測角裝置，改進控制算法，顯著降低系統(tǒng)控制誤差；絲杠螺距誤差和側隙可根據(jù)國家標準GB/T17421.2-2000（機床檢驗通則第2部分數(shù)控軸定位精度和重復定位精度的測定與分析）和國家標準確定GBIT17421.3-2009（機床檢驗通則第3部分機床熱效應的測定）補償；然而，滾珠絲杠的熱誤差是一個與溫度相關的量，在伺服系統(tǒng)運行時難以測量和補償。

對于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)不包括從轉軸到工作臺的傳動鏈，滾珠絲杠在反饋回路之外。這時，滾珠絲杠的熱變形誤差對系統(tǒng)的影響就特別嚴重。會直接影響伺服系統(tǒng)的定位精度，帶來不可忽略的定位誤差；對于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，滾珠絲杠驅動器位于伺服系統(tǒng)的反饋回路中，滾珠絲杠的熱誤差可視為系統(tǒng)擾動，會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能；對于開環(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)律及其熱誤差補償技術是一種比較經(jīng)濟實用的有效方法。該方法可以提高伺服系統(tǒng)的傳動和定位精度，使數(shù)控機床在高速高效運行下仍能保證較高的加工精度。滾珠絲杠熱誤差補償技術研究已成為機床熱誤差研究的重要研究方向，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注。相關研究成果取得了一些進展，但熱誤差環(huán)節(jié)無論從經(jīng)驗上還是理論上都存在一定的不足。

為此，基于相關理論，對滾珠絲杠的熱誤差進行了研究，并利用單軸半封閉伺服平臺進行了大量實驗，建立了可以快速準確預測的溫度滾珠絲杠的溫度分布。場模型用于預測滾珠絲杠的熱誤差。目的是探索一種簡單、實用、準確的滾珠絲杠熱誤差預測方法。

滾珠絲杠的溫度場模型可以反映絲杠的溫度分布和變化規(guī)律?；谠摐囟葓鼍暗臐L珠絲杠熱誤差預測方法在一定程度上豐富了伺服系統(tǒng)的熱誤差建模與補償技術。對提高半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度有一定的好處。但是，伺服系統(tǒng)滾珠絲杠在實驗環(huán)境中的運行條件與實際運行條件仍有差異，存在一些問題需要進一步研究和解決。例如，在實際應用中，滾珠絲杠的運行狀態(tài)變化頻繁，可能有多種不同的絲杠安裝方式，電機等其他熱源也會對滾珠絲杠產(chǎn)生一定的影響。