浅谈数控机床传动机构精度可靠性优化

浅谈数控机床传动机构精度可靠性优化

梁毅

珠海格力电器股份有限公司519000

摘要：本文主要对数控机床传动机构精度可靠性优化进一步的分析了解。数控机床作为制造业中最典型的高端制造装备，其发展水平直接决定了国家制造业在国际的竞争地位。

关键词：数控机床；传动机构；精度可靠性；分析

引言：

我国数控机床与国外发达国家相比仍存在较多不足，如机床精度低、可靠性差、核心技术落后等。精度作为衡量机床性能的核心指标，直接决定机床是否能完成指定任务，而精度可靠性体现了机床完成指定任务的能力，是机床性能得到充分发挥的保障，因此对数控机床进行精度可靠性分析具有十分重要的意义。

一、数控机床传动机构概述

数控机床传动系统表示从控制电机到工作台之间的传动链，一般由电机、联轴器、支承装置、减速机构、滚珠丝杠螺母副和执行元件，如工作台或刀具等组成，其结构可以简化为图1所示。由电机提供原动力，通过齿轮变速机构完成调速，由滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为大拖板上执行元件的往复直线运动，完成机床的进给和加工等。

◆┫A浅谈数控机床传动机构精度可靠性优化

梁毅

珠海格力电器股份有限公司519000

摘要：本文主要对数控机床传动机构精度可靠性优化进一步的分析了解。数控机床作为制造业中最典型的高端制造装备，其发展水平直接决定了国家制造业在国际的竞争地位。

关键词：数控机床；传动机构；精度可靠性；分析

引言：

我国数控机床与国外发达国家相比仍存在较多不足，如机床精度低、可靠性差、核心技术落后等。精度作为衡量机床性能的核心指标，直接决定机床是否能完成指定任务，而精度可靠性体现了机床完成指定任务的能力，是机床性能得到充分发挥的保障，因此对数控机床进行精度可靠性分析具有十分重要的意义。

一、数控机床传动机构概述

数控机床传动系统表示从控制电机到工作台之间的传动链，一般由电机、联轴器、支承装置、减速机构、滚珠丝杠螺母副和执行元件，如工作台或刀具等组成，其结构可以简化为图1所示。由电机提供原动力，通过齿轮变速机构完成调速，由滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为大拖板上执行元件的往复直线运动，完成机床的进给和加工等。

(1)电机：其主要功能是将输入的电能转化成机械能，为机床提供原动力，一般可以分为步进电机和伺服电机。步进电机存在固定的旋转角度—步距角，其转角大小不受载荷变化的影响，主要根据输入脉冲信号的频率和脉冲个数决定实际转动角度，因此可以通过控制脉冲个数，准确控制电机角位移变量，实现准确定位；通过控制脉冲频率准确控制电机角速度和角加速度，实现高速旋转的目的。

(2)联轴器：通过连接不同机构中的两根轴，实现扭矩的传递。根据被联接轴的相对位置和位置变动情况，可分为固定式联轴器和可移动式联轴器，其中根据补偿方式，又将可移动式联轴器分为刚性可移动式联轴器和挠性可移动式联轴器，具有传递扭矩、缓冲、减振、提高动态性能等作用，从而实现较高精度的传动。

(3)减速机构：作为一种动力传达机构，常见的减速机构主要为齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、行星摆线针轮减速机构、硬齿面减速机构等，主要通过不同的传动比实现转速的变化。其中行星摆线针轮减速机构因具有高精度、高效率、高刚度等优点而广泛应用于步进电机和伺服电机中。

(4)滚珠丝杠螺母副：由滚珠丝杠、滚珠和螺母组成。当滚珠丝杠转动时，由于滚动摩擦的作用，丝杠和螺母滚道之间的滚珠沿螺纹滚道滚动，从而带动大拖板移动，将旋转运动转化成直线运动，实现执行元件移动，具有高效率、高精度、高可靠性、高同步性等优点。

二、数控机床传动机构精度可靠性分析

1.机构可靠性定义

广义的可靠性是指产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力，同理，机构可靠性定义为机构在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。其中，“规定条件”是指机构运行时的外界环境和工作条件；“规定时间”是指机构运行的任务时间；“规定运动功能”是指在完成一定的运动形式的基础上，相关运动参数仍处于规定范围。综上，可以归纳为：准确性：对机构传递运动精确度的要求；及时性：对机构运行时间的要求；协调性：对规定运动功能内的不同动作之间一直连贯性的要求。

2.数控机床传动机构精度可靠性分析模型

设I为数控机床传动机构的最大几何误差，则数控机床传动机构几何误差精度可靠性功能函数为：

式中：*为误差方向，可以分为+表示沿运动方向，-表示沿运动反方向，只有当方向相同时，才可以进行误差值判断；i为数控机床传动机构的传动方向，i=x，y，z；X为随机变量向量；Y为区间变量向量。

三、数控机床传动机构精度可靠性优化分析

基于Matlab的精度可靠性优化设计。遗传算法作为一种仿照生物进化论的计算模型，主要是通过软件模拟，进行最优解搜索，可适用于各种复杂的大尺度、多变量的非线性反演问题。其运算流程可表示为图2

Matlab是一种高性能数值计算和可视化软件，实现了数值分析、数据可视化、非线性动态系统建模仿真等功能的一体化处理，在系统建模和仿真、科和工程绘图及应用程序开发等方面有广泛应用。本节利用Matlab软件中遗传算法工具箱对数控机床传动机构进行精度可靠性优化设计。

根据Matlab遗传算法工具箱的要求，进行如下设置：

（1）在Matlab中编写目标函数文件Cost_fun.m；

（2）在遗传算法工具箱窗口问题描述栏分别对设计变量、目标函数、约束条件进行设定；

（3）在选项栏配置初始种群数为200，随机均匀分布，按0-1二进制杂交，杂交概率为0.8，双向迁移，运行100代停止；

（4）运行求解，最终得到的优化设计结果如图3所示。

结束语：

综上所述，通过对数控机床传动机构的精度可靠性分析和优化设计，在满足机床精度设计要求的前提下，提高了机床传动机构精度可靠性，降低了传动机构的制造成本，为设计制造提供了理论依据。

参考文献：

[1]贾丹丹.五轴数控机床运动精度可靠性分析与仿真[D].辽宁：东北大学，2011.

[2]刘又午，刘丽冰.数控机床误差补偿技术研究，1998，9（12）：4852-4852.

[3]余治民.数控机床精度链设计方法研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[4]王移风，汪琛琛，曹衍龙，等．数控机床几何误差的辨识研究［J］．机械设计与制造，2014（2）：136-139．

[5]李翠玲，王耿华，杨强，等．五轴机床机构运动精度的可靠性分析［J］．机械设计与制造，2013（1）：201-202，206．

Z

(1)电机：其主要功能是将输入的电能转化成机械能，为机床提供原动力，一般可以分为步进电机和伺服电机。步进电机存在固定的旋转角度—步距角，其转角大小不受载荷变化的影响，主要根据输入脉冲信号的频率和脉冲个数决定实际转动角度，因此可以通过控制脉冲个数，准确控制电机角位移变量，实现准确定位；通过控制脉冲频率准确控制电机角速度和角加速度，实现高速旋转的目的。

(2)联轴器：通过连接不同机构中的两根轴，实现扭矩的传递。根据被联接轴的相对位置和位置变动情况，可分为固定式联轴器和可移动式联轴器，其中根据补偿方式，又将可移动式联轴器分为刚性可移动式联轴器和挠性可移动式联轴器，具有传递扭矩、缓冲、减振、提高动态性能等作用，从而实现较高精度的传动。

(3)减速机构：作为一种动力传达机构，常见的减速机构主要为齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、行星摆线针轮减速机构、硬齿面减速机构等，主要通过不同的传动比实现转速的变化。其中行星摆线针轮减速机构因具有高精度、高效率、高刚度等优点而广泛应用于步进电机和伺服电机中。

(4)滚珠丝杠螺母副：由滚珠丝杠、滚珠和螺母组成。当滚珠丝杠转动时，由于滚动摩擦的作用，丝杠和螺母滚道之间的滚珠沿螺纹滚道滚动，从而带动大拖板移动，将旋转运动转化成直线运动，实现执行元件移动，具有高效率、高精度、高可靠性、高同步性等优点。

二、数控机床传动机构精度可靠性分析

1.机构可靠性定义

广义的可靠性是指产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力，同理，机构可靠性定义为机构在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。其中，“规定条件”是指机构运行时的外界环境和工作条件；“规定时间”是指机构运行的任务时间；“规定运动功能”是指在完成一定的运动形式的基础上，相关运动参数仍处于规定范围。综上，可以归纳为：准确性：对机构传递运动精确度的要求；及时性：对机构运行时间的要求；协调性：对规定运动功能内的不同动作之间一直连贯性的要求。

2.数控机床传动机构精度可靠性分析模型

设I为数控机床传动机构的最大几何误差，则数控机床传动机构几何误差精度可靠性功能函数为：

式中：*为误差方向，可以分为+表示沿运动方向，-表示沿运动反方向，只有当方向相同时，才可以进行误差值判断；i为数控机床传动机构的传动方向，i=x，y，z；X为随机变量向量；Y为区间变量向量。

三、数控机床传动机构精度可靠性优化分析

基于Matlab的精度可靠性优化设计。遗传算法作为一种仿照生物进化论的计算模型，主要是通过软件模拟，进行最优解搜索，可适用于各种复杂的大尺度、多变量的非线性反演问题。其运算流程可表示为图2

Matlab是一种高性能数值计算和可视化软件，实现了数值分析、数据可视化、非线性动态系统建模仿真等功能的一体化处理，在系统建模和仿真、科和工程绘图及应用程序开发等方面有广泛应用。本节利用Matlab软件中遗传算法工具箱对数控机床传动机构进行精度可靠性优化设计。

根据Matlab遗传算法工具箱的要求，进行如下设置：

（1）在Matlab中编写目标函数文件Cost_fun.m；

（2）在遗传算法工具箱窗口问题描述栏分别对设计变量、目标函数、约束条件进行设定；

（3）在选项栏配置初始种群数为200，随机均匀分布，按0-1二进制杂交，杂交概率为0.8，双向迁移，运行100代停止；

（4）运行求解，最终得到的优化设计结果如图3所示。

结束语：

综上所述，通过对数控机床传动机构的精度可靠性分析和优化设计，在满足机床精度设计要求的前提下，提高了机床传动机构精度可靠性，降低了传动机构的制造成本，为设计制造提供了理论依据。

参考文献：

[1]贾丹丹.五轴数控机床运动精度可靠性分析与仿真[D].辽宁：东北大学，2011.

[2]刘又午，刘丽冰.数控机床误差补偿技术研究，1998，9（12）：4852-4852.

[3]余治民.数控机床精度链设计方法研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[4]王移风，汪琛琛，曹衍龙，等．数控机床几何误差的辨识研究［J］．机械设计与制造，2014（2）：136-139．

[5]李翠玲，王耿华，杨强，等．五轴机床机构运动精度的可靠性分析［J］．机械设计与制造，2013（1）：201-202，206．