某數控車床貼塑導軌直線度誤差的灰色預測術
2017-1-6 來源：南通職業大學機械工程學院 作者：張麗萍 李業農 趙建杰
摘要：以SL50數控車床為例。對斜床身貼塑導軌的工作情況做了分析。通過對影響斜床身數控車床貼塑導軌直線度的多種因素的分析。將其過去及現在已知的或非確知的情況。視作一個灰色系統。通過激光干涉儀定期檢測貼塑導軌直線度的誤差值。構成一個原始等間隔數據序列。按灰色系統建模法建立灰色系統GM(1。1)模型的白化形式微分方程，揭示貼塑導軌直線度的發展變化規律。再通過殘差模型的修正。提高了計算精度。修正后的GM(1，1)模型可用來預測貼塑導軌直線度的誤差值。
關鍵詞：數控車床；貼塑導軌；直線度；誤差；灰色系統；灰色預測
導軌部件是數控車床的核心部件之一，導軌的運動精度及精度保持性決定了數控車床的精度和壽命周期，直接影響著被加工件的精度。貼塑導軌是一種金屬對塑料摩擦形式的導軌，一個滑動面貼有一層抗磨軟帶，通常是門FE(聚四氟乙烯)，另一個滑動面是金屬面，與普通滑動導軌相比較，它具有壽命長、結構簡單、成本低、吸振性好等優點。門FE軟帶質地較軟，能嵌入跑進導軌副的切屑等金屬微粒，從而保護配對導軌的金屬表面，受壓時彈性變形較大，使導軌面接觸良好，磨損均勻，所以貼塑導軌被廣泛應用在各類數控機床中。
機床的許多性能都受到導軌精度的影響，導軌的幾何精度決定運動部件的運動精度，導軌的直線度直接影響機床的導向精度，從而影響被加工件的幾何精度，故導軌的導向精度、精度保持性和耐磨性對機床質量有重大影響。
灰色系統理論提供了在貧信息情況下解決系統問題的途徑。灰色系統建模是以部分信息已知、部分信息未知的小樣本、貧信息、不確定性的系統為研究對象，通過對部分已知信息的生成，對系統的變化規律進行描述，它強化了規律性的成份和弱化了不確定性的成份。對于離散過程，可在一定程度上相對增強確定性和相對減弱不確定性口叫o。灰色預測是根據過去及現在已知的或非確知的信息，建立一個從過去引伸到將來的GM模型，構建系統在未來發展變化的趨勢，對未來進行科學預測。
貼塑導軌本身存在一定的幾何形狀誤差及微觀不平度，結合面可能存在介質，導軌面不同程度的存在著磨粒磨損，其磨損過程由于受到環境因素及材料不同的影響，表現出復雜性、多樣性和隨機性。這些因素均影響著導軌的直線度。由于多種因素作用下的導軌直線度下降變化的趨勢難以預測，導軌直線度與工作小時數之間沒有確定的變化形式，沒有必然的變化規律，用數學語言來說，就是事物變化的過程不能用一個(或幾個)時間￡的確定的函數來加以描述。就目前來說，為了得到比較符合實際的精度壽命曲線，其做法是：在某一給定的小時間隔，測定其精度壽命值，小時間隔不少于三級。這是一個灰色系統，只知道有限個試樣的信息，而大部分未知，可運用灰色系統理論來建立灰色模型，描述系統的動態微分方程，預測未來某一時刻的導軌直線度誤差值。
1.SL50數控車床斜床身導軌
如圖1所示，SL50數控車床的床身采用整體鑄造45。斜床身結構，剛性好。為了提高矩形導軌的耐磨性和定位精度，固定導軌表面采用淬硬、磨削和刮研等工藝處理，滑動導軌采用貼塑、磨削和刮研等工藝處理，貼塑材料為PTFE(聚四氟乙烯)。這種斜床身結構在機床的布局、剛性、精度，以及排屑能力方面，都比平床身數控車床有了顯著的提高。切屑可在重力作用下直接向下排，不易產生切屑纏繞刀具，利于排屑；同時配合中置絲桿和導軌防護板，可以避免切屑在絲桿和導軌E堆積。
圖l SL50數控車床的斜床身結構
該斜床身數控車床的大溜板斜壓在矩形導軌上，大溜板由于重力的作用有沿著斜面下滑的趨勢，故矩形導軌的承載面是其正面和上側面(如圖1所示)，滑動導軌貼塑層相對較軟，受壓會產生彈性變形，通常對其施加一定的預緊力，避免其影響機床的剛度，故貼塑層不宜太厚，其厚度控制在1．2—1．5 mm為宜¨’9 J。隨著貼塑層的預緊力增大，滑動摩擦力也會增大。在大切削力作用下，貼塑層受壓變形增大，在這種情況下貼塑層會產生磨損，故而影響導軌的導向精度。數控車床主軸軸線為。軸，小溜板移動方向為戈軸(如圖1所示)，導軌在礎平面內的直線度誤差直接影響著被加工工件的直徑誤差，在燁平面內的直線度誤差對加工精度的影響很小可忽略不計。
2.導軌直線度誤差的檢測
如上所述，貼塑導軌本身存在一定的幾何形狀誤差，結合面可能存在介質干涉，導軌面的摩擦磨損，這些因素均導致導軌在戈舵平面內的直線度誤差增大，且有隨著時間進一步增大趨勢，是影響著被加工工件的直徑誤差的主要因素。
導軌在拋z平面內的直線度采用雷尼紹MLl0型激光干涉儀檢測。如圖2所示，將MLl0激光器平行安裝在傾斜的導軌面上，在機床適當位置固定安裝干涉鏡，將反光鏡安裝在大溜板上并隨大溜板一起沿z軸移動，便可測量大溜板在并以平面內移動的直線度。
圖2激光干涉儀的安裝方法
若SL50型數控車床一天2班制工作，機床一年工作4 000 h，檢測周期即為4 000 h。導軌在茗∞平面內的直線度誤差值如表1所示。
表1 導軌直線度誤差值的原始數據序列
3.導軌直線度的灰色預測
根據灰色系統已知數據建立的模型，從時間發展來看，具有某種規律性和時間外推性，這種模塊才能用來預測H。6 J。導軌在拋=平面內的直線度誤差值是隨著時間的推移，多種因素作用導致直線度的下降。它是一個時間序列的灰色預測，可以看作一個等間隔序的數列預測。數列預測是以灰色系統模型GM(1，1)為基礎的，等間隔序列的灰色建模步驟如下：
(1)一次累加生成運算設有原始等間隔數據序列
表2導致直線度誤差的計算數據序列
4.結語
以SL50數控車床為例，對斜床身貼塑導軌的工作情況做了分析。通過對影響斜床身數控車床貼塑導軌直線度的多種因素的分析，將其過去及現在已知的或非確知的情況，視作一個灰色系統。通過激光干涉儀定期檢測貼塑導軌直線度的誤差值，構成一個原始等間隔數據序列。按灰色系統建模法予以建模，通過累加生成得到單調遞增的時間數據序列，據此建立灰色系統GM(1，1)模型白化形式的微分方程，揭示貼塑導軌直線度的發展變化規律。通過表1、2的比較，說明龕：”(f)模型計算值比較接近于實際值，再通過殘差模型的修正，提高了計算精度。修正后的GM(1，1)模型可用來預測貼塑導軌直線度的誤差值。
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