某数控车床贴塑导轨直线度误差的灰色预测术
2017-1-6 来源：南通职业大学机械工程学院 作者：张丽萍 李业农 赵建杰
摘要：以SL50数控车床为例。对斜床身贴塑导轨的工作情况做了分析。通过对影响斜床身数控车床贴塑导轨直线度的多种因素的分析。将其过去及现在已知的或非确知的情况。视作一个灰色系统。通过激光干涉仪定期检测贴塑导轨直线度的误差值。构成一个原始等间隔数据序列。按灰色系统建模法建立灰色系统GM(1。1)模型的白化形式微分方程，揭示贴塑导轨直线度的发展变化规律。再通过残差模型的修正。提高了计算精度。修正后的GM(1，1)模型可用来预测贴塑导轨直线度的误差值。
关键词：数控车床；贴塑导轨；直线度；误差；灰色系统；灰色预测
导轨部件是数控车床的核心部件之一，导轨的运动精度及精度保持性决定了数控车床的精度和寿命周期，直接影响着被加工件的精度。贴塑导轨是一种金属对塑料摩擦形式的导轨，一个滑动面贴有一层抗磨软带，通常是门FE(聚四氟乙烯)，另一个滑动面是金属面，与普通滑动导轨相比较，它具有寿命长、结构简单、成本低、吸振性好等优点。门FE软带质地较软，能嵌入跑进导轨副的切屑等金属微粒，从而保护配对导轨的金属表面，受压时弹性变形较大，使导轨面接触良好，磨损均匀，所以贴塑导轨被广泛应用在各类数控机床中。
机床的许多性能都受到导轨精度的影响，导轨的几何精度决定运动部件的运动精度，导轨的直线度直接影响机床的导向精度，从而影响被加工件的几何精度，故导轨的导向精度、精度保持性和耐磨性对机床质量有重大影响。
灰色系统理论提供了在贫信息情况下解决系统问题的途径。灰色系统建模是以部分信息已知、部分信息未知的小样本、贫信息、不确定性的系统为研究对象，通过对部分已知信息的生成，对系统的变化规律进行描述，它强化了规律性的成份和弱化了不确定性的成份。对于离散过程，可在一定程度上相对增强确定性和相对减弱不确定性口叫o。灰色预测是根据过去及现在已知的或非确知的信息，建立一个从过去引伸到将来的GM模型，构建系统在未来发展变化的趋势，对未来进行科学预测。
贴塑导轨本身存在一定的几何形状误差及微观不平度，结合面可能存在介质，导轨面不同程度的存在着磨粒磨损，其磨损过程由于受到环境因素及材料不同的影响，表现出复杂性、多样性和随机性。这些因素均影响着导轨的直线度。由于多种因素作用下的导轨直线度下降变化的趋势难以预测，导轨直线度与工作小时数之间没有确定的变化形式，没有必然的变化规律，用数学语言来说，就是事物变化的过程不能用一个(或几个)时间￡的确定的函数来加以描述。就目前来说，为了得到比较符合实际的精度寿命曲线，其做法是：在某一给定的小时间隔，测定其精度寿命值，小时间隔不少于三级。这是一个灰色系统，只知道有限个试样的信息，而大部分未知，可运用灰色系统理论来建立灰色模型，描述系统的动态微分方程，预测未来某一时刻的导轨直线度误差值。
1.SL50数控车床斜床身导轨
如图1所示，SL50数控车床的床身采用整体铸造45。斜床身结构，刚性好。为了提高矩形导轨的耐磨性和定位精度，固定导轨表面采用淬硬、磨削和刮研等工艺处理，滑动导轨采用贴塑、磨削和刮研等工艺处理，贴塑材料为PTFE(聚四氟乙烯)。这种斜床身结构在机床的布局、刚性、精度，以及排屑能力方面，都比平床身数控车床有了显著的提高。切屑可在重力作用下直接向下排，不易产生切屑缠绕刀具，利于排屑；同时配合中置丝杆和导轨防护板，可以避免切屑在丝杆和导轨E堆积。
图l SL50数控车床的斜床身结构
该斜床身数控车床的大溜板斜压在矩形导轨上，大溜板由于重力的作用有沿着斜面下滑的趋势，故矩形导轨的承载面是其正面和上侧面(如图1所示)，滑动导轨贴塑层相对较软，受压会产生弹性变形，通常对其施加一定的预紧力，避免其影响机床的刚度，故贴塑层不宜太厚，其厚度控制在1．2—1．5 mm为宜¨’9 J。随着贴塑层的预紧力增大，滑动摩擦力也会增大。在大切削力作用下，贴塑层受压变形增大，在这种情况下贴塑层会产生磨损，故而影响导轨的导向精度。数控车床主轴轴线为。轴，小溜板移动方向为戈轴(如图1所示)，导轨在础平面内的直线度误差直接影响着被加工工件的直径误差，在烨平面内的直线度误差对加工精度的影响很小可忽略不计。
2.导轨直线度误差的检测
如上所述，贴塑导轨本身存在一定的几何形状误差，结合面可能存在介质干涉，导轨面的摩擦磨损，这些因素均导致导轨在戈舵平面内的直线度误差增大，且有随着时间进一步增大趋势，是影响着被加工工件的直径误差的主要因素。
导轨在抛z平面内的直线度采用雷尼绍MLl0型激光干涉仪检测。如图2所示，将MLl0激光器平行安装在倾斜的导轨面上，在机床适当位置固定安装干涉镜，将反光镜安装在大溜板上并随大溜板一起沿z轴移动，便可测量大溜板在并以平面内移动的直线度。
图2激光干涉仪的安装方法
若SL50型数控车床一天2班制工作，机床一年工作4 000 h，检测周期即为4 000 h。导轨在茗∞平面内的直线度误差值如表1所示。
表1 导轨直线度误差值的原始数据序列
3.导轨直线度的灰色预测
根据灰色系统已知数据建立的模型，从时间发展来看，具有某种规律性和时间外推性，这种模块才能用来预测H。6 J。导轨在抛=平面内的直线度误差值是随着时间的推移，多种因素作用导致直线度的下降。它是一个时间序列的灰色预测，可以看作一个等间隔序的数列预测。数列预测是以灰色系统模型GM(1，1)为基础的，等间隔序列的灰色建模步骤如下：
(1)一次累加生成运算设有原始等间隔数据序列
表2导致直线度误差的计算数据序列
4.结语
以SL50数控车床为例，对斜床身贴塑导轨的工作情况做了分析。通过对影响斜床身数控车床贴塑导轨直线度的多种因素的分析，将其过去及现在已知的或非确知的情况，视作一个灰色系统。通过激光干涉仪定期检测贴塑导轨直线度的误差值，构成一个原始等间隔数据序列。按灰色系统建模法予以建模，通过累加生成得到单调递增的时间数据序列，据此建立灰色系统GM(1，1)模型白化形式的微分方程，揭示贴塑导轨直线度的发展变化规律。通过表1、2的比较，说明龛：”(f)模型计算值比较接近于实际值，再通过残差模型的修正，提高了计算精度。修正后的GM(1，1)模型可用来预测贴塑导轨直线度的误差值。
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