摘要
精密机床是精密加工技术的核心装备，导轨是精密机床的核心部件，其精度在很大程度上制约了精密机床的加工精度。定位及重复定位精度是精密机床导轨重要的精度指标，针对其关键影响因素的研究对提升精密机床零件加工的精度和一致性具有重要的理论意义与实践价值。本文以直线电机直驱的精密机床导轨为研究对象，以定位及重复定位精度为性能指标，具体研究了导轨误差运动、导轨摩擦力和电机推力波动等关键影响因素对精密机床导轨定位及重复定位精度的影响规律。 首先，建立了导轨定位过程的理论模型并明确了精度评价标准。针对闭环伺服控制的导轨定位过程，建立了光栅尺的安装误差模型、导轨的误差运动模型、定位过程的动力学模型、直线电机的推力模型和导轨系统的摩擦力模型，明确了反馈误差、误差运动、摩擦力和推力波动等因素造成定位偏差的叠加关系，并依据国标中对定位及重复定位精度的测量与评价标准，明确了定位精度取决于定位偏差的均值，而重复定位精度取决于定位偏差的方差。 其次，研究了误差运动对导轨定位及重复定位精度的影响规律。针对导轨的误差运动，建立了基于直线导轨几何误差的误差运动分析模型，系统研究了直线导轨几何误差与误差运动的关系，找到了误差运动的抑制方法。基于误差运动模型分析了光栅尺反馈误差，建立了误差运动与导轨定位及重复定位精度的数学关系，并依据直线导轨幅值为 2μm的直线度误差估算了误差运动大小，确定了误差运动造成的理论最大定位误差为0.25μm ，最大重复定位误差为0.5μm。采用不同补偿参数对导轨实验平台的光栅尺固有误差进行了补偿，补偿结果表明，在补偿点数足够的条件下，补偿参数对定位精度的影响不大，且在固有误差补偿后导轨的正向定位精度由21.424μm提升到了7.599μm ，提升了64.5%。 再次，研究了摩擦力对导轨定位及重复定位精度的影响规律。针对导轨库仑摩擦力的波动，建立了基于误差运动分析模型的库仑摩擦力波动模型，定义了库仑摩擦力均化系数，系统研究了直线导轨几何误差与库仑摩擦力波动的定量关系。搭建了引入摩擦扰动的导轨机电仿真模型，仿真结果表明，减少导轨速度无关的摩擦力均值与波动量均可改善定位及重复定位精度。在导轨实验平台上测试了改变速度无关的摩擦力均值前后的定位及重复定位精度，结果表明，减少速度无关的摩擦力均值后，导轨的定位精度、正向重复定位精度和反向重复定位精度分别由 7.599μm、0.784μm和 0.796μm ，提升到了 5.382μm、0.5μm和 0.5μm ，分别提升了29.2%、36.2%和37.2%。 然后，研究了推力波动对导轨定位及重复定位精度的影响规律。针对直线电机的推力波动，建立了直线电机定子的气隙磁通密度解析模型和电机推力波动计算模型，通过解析计算与有限元仿真的方式得到了推力波动的周期为τ/3，幅度约为2%。搭建了引入推力波动的导轨机电仿真模型，结果表明，推力波动几乎不会影响导轨定位精度，对重复定位精度的影响也弱于摩擦力。 最后，对比了不同影响因素对定位及重复定位精度的影响大小。参照对应的实验和理论分析结果，计算了各因素对定位及重复定位精度影响的比例关系，结果表明：对于定位精度，在光栅尺固有误差补偿前，固有误差的影响最大，占到了74.7%，而在补偿后，摩擦力对定位精度的影响最大，占到了94.7%，误差运动次之，占到了5.3%，推力波动则基本没有影响。对于重复定位精度，基本无法通过控制补偿提高，在各影响因素中，误差运动的影响最大，占到了46.3%，其次是摩擦力，占到了35.2%，而光栅尺固有误差则基本没有影响。 综上，根据不同影响因素对定位及重复定位精度的影响大小，提出了定位精度及重复定位精度的控制-机械协同优化方法，采用此方法，导轨实验平台的正向定位精度、正向重复定位精度和反向重复定位精度分别从21.424μm、0.784μm和0.796μm ，提升到了5.382μm、0.5μm和0.5μm ，分别提升了74.9%、36.2%和37.2%。 本文针对导轨定位及重复定位精度的不同影响因素进行了研究，找到了各影响因素的变化规律及大小关系，进而指出了定位及重复定位精度的上限是由机械因素决定的，据此提出了定位精度及重复定位精度的控制-机械协同优化方法，对导轨的设计、制造和装配具有重要的指导意义。
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