立式加工中心幾何精度對(duì)比測(cè)試與分析*

況 康，劉志松，王永青，吳嘉錕，劉 闊

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

0 引言

幾何精度是數(shù)控機(jī)床的重要的性能指標(biāo)之一，它主要取決于裝配精度以及機(jī)床零部件的精度，按照GB18400.1-2010的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，除去與主軸精度相關(guān)的項(xiàng)目，幾何精度主要是關(guān)于運(yùn)動(dòng)軸線的精度[1]。針對(duì)運(yùn)動(dòng)軸精度的檢測(cè)方法有很多，如激光干涉儀、千分表、精密水平儀等，而激光干涉儀由于測(cè)量精度高、速度快、穩(wěn)定性好等因素廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)和補(bǔ)償。

針對(duì)數(shù)控機(jī)床幾何精度的檢測(cè)和補(bǔ)償，國內(nèi)外學(xué)者做了很多的研究。馬軍旭[1]通過對(duì)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的調(diào)研發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)機(jī)床精度保持性差的原因?yàn)榉钦Ｄp，并從機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和使用過程的三個(gè)方面對(duì)機(jī)床的幾何精度、主軸精度、運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行了因素分析，提出了提高數(shù)控機(jī)床精度保持性的措施。王金棟[2]提出了一種利用激光跟蹤儀多站分時(shí)測(cè)量數(shù)控機(jī)床幾何精度的方法，通過該方法與激光干涉儀的測(cè)量機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的可行性。王琛琛[3]構(gòu)建了基于掃頻激光干涉技術(shù)的數(shù)控機(jī)床幾何誤差測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)某型立式加工中心進(jìn)行了幾何誤差綜合測(cè)試，給出了結(jié)合誤差參數(shù)的辨識(shí)結(jié)果。

韓飛飛[4]等借助激光干涉儀測(cè)量機(jī)床的定位誤差、直線度誤差和角度誤差，通過多體動(dòng)力學(xué)建立了三軸機(jī)床空間誤差模型，分析發(fā)現(xiàn)定位精度是影響機(jī)床綜合誤差的決定性因素。田文杰[5]基于激光測(cè)量“九線法”的原理，提出了新型誤差辨識(shí)型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。對(duì)于數(shù)控機(jī)床的幾何誤差補(bǔ)償，國內(nèi)外人士也做了許多的研究[6-10]，提出了相應(yīng)的補(bǔ)償模型，通過實(shí)驗(yàn)得到了認(rèn)證。

從以上可以看出，目前針對(duì)立式加工中心的精度檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏?，但是針?duì)多臺(tái)立式加工中心的幾何精度比較測(cè)試，另外，關(guān)于立式加工中心進(jìn)給軸的微位移測(cè)試非常少。因此，本文中通過激光干涉儀對(duì)四臺(tái)立式加工中心的幾何精度進(jìn)行了檢測(cè)和對(duì)比分析，并通過激光干涉儀對(duì)立式加工中心進(jìn)行微位移測(cè)試，檢測(cè)機(jī)床在微位移下的運(yùn)行狀態(tài)。

1 立式加工中心幾何精度對(duì)比測(cè)試

本文中采用Renishaw激光干涉儀XL-80對(duì)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)兩臺(tái)立式加工中心的進(jìn)給軸的定位精度，重復(fù)定位精度和反向偏差進(jìn)行檢測(cè)；利用API5d激光干涉儀對(duì)型號(hào)為Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)兩臺(tái)立式加工中心進(jìn)給軸的直線度進(jìn)行檢測(cè)；其中各型號(hào)立式加工中心得各軸行程和實(shí)驗(yàn)方案如下：

(1)定位精度檢測(cè)

Ⅰ號(hào)立式加工中心的X軸、Y軸及Z軸的測(cè)試行程分別為800mm、450mm及500mm，檢測(cè)時(shí)設(shè)定單步運(yùn)行距離分別為80mm、45mm及50mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)3次，測(cè)試機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度以及反向偏差。

Ⅱ號(hào)立式加工中心的X軸、Y軸及Z軸的測(cè)試行程分別為750mm、450mm和450mm，檢測(cè)時(shí)設(shè)定單步運(yùn)行距離分別為75mm、45mm和45mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)3次，測(cè)試機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度以及反向偏差。

(2)直線度檢測(cè)

Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)立式加工中心的X軸、Y軸及Z軸的測(cè)試行程為450mm、450mm及800mm，越程為5mm，設(shè)定單步運(yùn)動(dòng)距離為45mm、45mm及80mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)3次，測(cè)量三軸水平和垂直方向的直線度誤差。

圖1為現(xiàn)場(chǎng)利用激光干涉儀對(duì)立式加工中心進(jìn)給軸幾何精度的測(cè)試圖。

圖1 激光干涉儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較和分析

通過Renishaw激光干涉儀測(cè)得Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)立式加工中心各進(jìn)給軸的雙向定位精度、重復(fù)定位精度和反向誤差，圖2給出了Ⅰ號(hào)立式加工中心三個(gè)直線進(jìn)給軸的三次測(cè)量正反向的定位精度檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線。

(a)X軸定位誤差 (b)Y軸定位誤差

(c)Z軸定位誤差圖2 Ⅰ號(hào)定位精度檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

表1和表2中給出了Ⅰ和Ⅱ的定位誤差、重復(fù)定位誤差和反向間隙的具體數(shù)值，可以看出Ⅰ號(hào)的Y和Z軸的定位精度要比Ⅱ號(hào)的定位精度要小；而相對(duì)的Ⅰ號(hào)的三個(gè)進(jìn)給軸的反向偏差要比Ⅱ號(hào)的反向偏差要大，并且Ⅰ號(hào)的Y軸和Z軸的重復(fù)定位精度要比Ⅱ號(hào)的Y和Z軸的重復(fù)定位精度大。故Ⅰ號(hào)的重復(fù)定位精度較差，這會(huì)影響到工件的加工一致性；而Ⅱ號(hào)的定位精度較差，導(dǎo)致機(jī)床定位不準(zhǔn)確。

表1 Ⅰ號(hào)立式加工中心定位精度、重復(fù)定位精度和反向誤差

表2 Ⅱ號(hào)立式加工中心定位精度、重復(fù)定位精度和反向誤差

針對(duì)Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)兩臺(tái)立式加工中心的直線度誤差檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見表3。從表3中可以看出，Ⅳ號(hào)的X軸水平直線度和Z軸垂直直線度誤差比Ⅲ號(hào)的要大，X軸垂直直線度誤差要比Ⅲ號(hào)的小，其余各軸水平和垂直直線度誤差相差不大。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)X軸內(nèi)防護(hù)拉板異響，Z軸的防護(hù)罩也存在噪音。

表3 直線度誤差比較表

3 微位移測(cè)試

為了研究數(shù)控機(jī)床在微位移下的進(jìn)給軸的精度，采用Renishaw激光干涉儀XL-80對(duì)Ⅰ號(hào)立式加工中心的X，Y軸進(jìn)行微位移測(cè)試，X軸的測(cè)試行程為20μm，Y軸的測(cè)試行程為10μm，單步運(yùn)動(dòng)距離均為1μm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)3次。

測(cè)試結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，對(duì)機(jī)床進(jìn)行微位移測(cè)試時(shí)，單步進(jìn)程為1μm時(shí)，定位誤差和反向偏差都較大，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單步進(jìn)程的1μm，微位移的情況下機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度較差，這主要是由于機(jī)床螺距誤差和反向間隙所造成的。

(a) X軸微位移測(cè)試 (b) Y軸微位移測(cè)試圖4 Ⅰ號(hào)立式加工中心微位移測(cè)試

4 結(jié)束語

本文對(duì)四臺(tái)立式加工中心的精度進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)同樣行程的立式加工中心的定位精度和直線度誤差存在著差異，分析和對(duì)比了各個(gè)立式加工機(jī)床的精度誤差。將微位移測(cè)試應(yīng)用到機(jī)床精度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)立式加工中心進(jìn)給軸微位移下的定位精度較差，不利于高精密零件的加工。這些測(cè)試和分析的結(jié)果對(duì)后期立式加工中心的誤差補(bǔ)償和提升立式加工中心的加工精度有著重要的參考意義。

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