NSK定位精度的測(cè)量示例與原因分析

定位精度這樣的詞語(yǔ)使用非常廣泛，到底如何定義還沒(méi)有明確的規(guī)定。一般來(lái)說(shuō)美國(guó)機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)的提案被泛地使用。
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， 即和范圍內(nèi)的/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(cè)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(cè)量

對(duì)一臺(tái)半閉環(huán)控制的機(jī)床中使用光柵尺進(jìn)行測(cè)量，得出很大的誤差（30～40μm/240mm）。為了尋找原因，使用激光測(cè)長(zhǎng)儀對(duì)定位精度，姿勢(shì)精度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)如圖9所示。

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(cè)量點(diǎn)中用光柵尺和激光測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量定位精度的結(jié)果，用實(shí)線表示。各個(gè)測(cè)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(shì)精度在內(nèi)的各個(gè)測(cè)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(shì)精度而決定。
一般平直度作為平臺(tái)的姿勢(shì)精度來(lái)測(cè)量的情況很多，在行程比較小的場(chǎng)合，測(cè)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(duì)定位精度的影響很大。 
平臺(tái)的姿勢(shì)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(duì)姿勢(shì)精度也有很大程度的影響。 
在全閉環(huán)控制的時(shí)候姿勢(shì)精度的影響也會(huì)出現(xiàn)，比如使用光柵尺對(duì)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。

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(cè)量，如圖13所示，空程量為負(fù)（移動(dòng)過(guò)了）。這是因?yàn)閱?dòng)時(shí)相對(duì)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。現(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。

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(cè)值做比較，如圖15所示?？梢钥闯?，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值比較吻合。

5.3. 小型平臺(tái)的測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果顯示，即使把測(cè)量誤差包括在內(nèi)，也具有較高的精度。

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(wú)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(cè)量連續(xù)進(jìn)給進(jìn)度的結(jié)果。測(cè)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(guò)傾斜補(bǔ)正后，通過(guò)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(cè)量雖然使用了激光測(cè)長(zhǎng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑處理。

圖19展示了對(duì)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)是滾珠絲杠振動(dòng)回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差和導(dǎo)程誤差。

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。可以根據(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)。