運(yùn)用激光測(cè)量提高U5龍門加工中心精度

周文軍 何屹

摘要：用激光干涉法測(cè)量誤差的原理，通過的誤差補(bǔ)償對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位誤差及反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法可以大幅度提高數(shù)控機(jī)床的精度。

關(guān)鍵詞：激光干涉；數(shù)控機(jī)床；定位誤差；誤差補(bǔ)償；加工精度異常

引言

隨著數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造中已得到廣泛的應(yīng)用，機(jī)床加工精度的要求越來越高，精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷提高，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度提出了更高的要求。本文就是基于上述思想，通過常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司2010年1月引進(jìn)的一臺(tái)美國辛辛那提U5龍門加工中心為例，在廠家調(diào)試人員多次調(diào)試未果的情況下，本人結(jié)合自身多年維修經(jīng)驗(yàn)，通過誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，顯著地提高數(shù)控機(jī)床的精度，使其工作于最佳精度狀態(tài)，從而確保數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量。

1.設(shè)備故障現(xiàn)象

美國辛辛那提U5龍門加工中心在廠家工作人員調(diào)試后，于8月正式交車投入使用。然而U5在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)加工精度超差的現(xiàn)象，尤其在加工主墻板的過程中更為嚴(yán)重。現(xiàn)象表現(xiàn)為：主墻板X軸方向孔定位精度最高要求為0.0175mm，實(shí)際測(cè)量結(jié)果圓4、圓51等誤差都接近0.04mm，加工的8件主墻板中僅2件基本合格，致使U5龍門加工中心在交車后一直無法正常生產(chǎn)。美國辛辛那提U5龍門加工中心引進(jìn)價(jià)格為228萬美元，折合人民幣228*7.5=1710萬元，按十年折舊計(jì)算，一年225個(gè)工作日，每日折舊7600元。由于U5無法進(jìn)行正常的精度加工，設(shè)備根本不能正常生產(chǎn)，僅停工引起的折舊損失費(fèi)每天就為7600元，還不包括設(shè)備功能正常發(fā)揮以及零件報(bào)廢的重大損失。這個(gè)問題一直是公司的一個(gè)心病。

2.故障分析

由于U5龍門加工中心在加工零件時(shí)出現(xiàn)精度超差的現(xiàn)象，這個(gè)問題一直困擾公司大型精密零件加工工作。本人對(duì)精密零件加工超差的原因進(jìn)行認(rèn)真分析，結(jié)合自身多年維修經(jīng)驗(yàn)，初步認(rèn)為反向間隙、定位誤差、重復(fù)定位誤差、熱膨脹系數(shù)是影響U5龍門加工中心加工精度、產(chǎn)生加工誤差的主要因素，并確定為重點(diǎn)攻關(guān)目標(biāo)，通過逐一進(jìn)行排查，確定故障點(diǎn)。首要任務(wù)是對(duì)數(shù)控機(jī)床測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差和測(cè)量過程的誤差進(jìn)行分析并判斷其結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差分析

同一臺(tái)機(jī)床，由于采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，所得到的反向間隙、定位精度也不相同。因此在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的進(jìn)行誤差分析時(shí)，也要注意它所采用的標(biāo)準(zhǔn)。目前數(shù)控機(jī)床位置精度的誤差分析通常采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO230-2、國家標(biāo)準(zhǔn)B10931-89、德國標(biāo)準(zhǔn)VDI3441、日本JIS B6336等。根據(jù)我公司和機(jī)床生產(chǎn)商的技術(shù)協(xié)議，U5龍門加工中心采用VDI/DGQ3441標(biāo)準(zhǔn)。

2.2程的誤差分析

用激光干涉儀檢驗(yàn)U5龍門加工中心精度的測(cè)量過程誤差主要來源：

1）傳感器造成的誤差，激光干涉儀的氣溫、相對(duì)濕度傳感器已盡量靠近激光束的測(cè)量路徑傳感器沒有接近馬達(dá)等局部性熱源或是冷氣流。故傳感器不是誤差的主要來源。

2）安裝造成的誤差，主要是由測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)的軸線不平行而引起的誤差，如余弦誤差、阿貝測(cè)量誤差等，在安裝鏡組時(shí)，考慮了光束附近的空氣擾動(dòng)。避免將鏡組或激光束放得太靠近任何局部性熱源。故安裝不是誤差的主要來源。

3）熱膨脹系數(shù)造成的誤差，此誤差大小取決于U5龍門加工中心光柵尺的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)測(cè)量時(shí)熱膨脹系數(shù)設(shè)置為1時(shí)，反向間隙、定位誤差、重復(fù)定位誤差都很小，但設(shè)備在加工零件時(shí)出現(xiàn)精度超差的現(xiàn)象。故熱膨脹系數(shù)可能是誤差的來源。

3.問題的解決

機(jī)床的定位精度是指所測(cè)量的機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度，是數(shù)控機(jī)床有別于普通機(jī)床的一項(xiàng)重要精度，它與機(jī)床的幾何精度共同對(duì)機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要的影響，尤其對(duì)孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。而U5龍門加工中心在加工過程中主要是孔距差，問題的解決應(yīng)在盡量消除溫度誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響下，選擇正確熱膨脹系數(shù)，提高機(jī)床加工精度的內(nèi)容包括誤差檢測(cè)、誤差分析和誤差補(bǔ)償。

4.熱膨脹系數(shù)選擇

對(duì)機(jī)床進(jìn)行螺距補(bǔ)償時(shí)，我們采用雷尼紹公司的激光干涉儀作為直線長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，該激光干涉儀的熱膨脹系數(shù)初始值為1×10-6/℃，而U5龍門加工中心精度的測(cè)量過程中設(shè)置熱膨脹系數(shù)為11.71×10-6/℃。所謂熱膨脹系數(shù)是通常指線膨脹系數(shù)，表示溫度每變化1℃材料長(zhǎng)度變化的百分率，則溫度變化時(shí)材料的伸長(zhǎng)量 可表示為式（1）：

由式（2）式（3）可見，由于激光干涉儀的熱膨脹系數(shù)選擇不合理，造成主墻板加工過程的最大誤差約0.036mm，已超過墻板0.02mm的誤差要求。這也驗(yàn)證了最初判斷。由上訴分析可知，激光干涉儀在校準(zhǔn)機(jī)床時(shí)，其熱膨脹系數(shù)選擇對(duì)加工精度影響很大，根據(jù)主墻板的熱膨脹系數(shù)，將激光干涉儀的熱膨脹系數(shù)設(shè)置為和主墻板的一樣，這樣從理論上可以消除誤差。

5.定位精度的補(bǔ)償

所謂補(bǔ)償就是指通過特定方法對(duì)機(jī)床的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其參數(shù)調(diào)整方法也依各數(shù)控系統(tǒng)不同而各有差異。所以對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償是保證加工質(zhì)量的必要途徑。螺距誤差補(bǔ)償這項(xiàng)工作應(yīng)該是在機(jī)床幾何精度調(diào)整完成后進(jìn)行的，這樣可以盡量減少幾何精度對(duì)定位精度的影響。

6.應(yīng)用效果

生產(chǎn)實(shí)踐證明，該改進(jìn)是有效和成功的。自開始改進(jìn)到目前為止，機(jī)床使用過程中從未出現(xiàn)任何問題，徹底解決了機(jī)床精密加工問題，這次改進(jìn)為公司節(jié)約了大量的資金，大大的降低了機(jī)床的故障率，提高了機(jī)床精密加工的合格率，取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此我們認(rèn)為改進(jìn)是非常成功的。

參考文獻(xiàn)：

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