側(cè)裝式直線導軌精度校調(diào)方法探討

彭雁峰，陳 婕

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

進口大型加工中心一般為移動式龍門結(jié)構(gòu)，為節(jié)省空間，通常將承載龍門移動的直線導軌系統(tǒng)安裝在床身側(cè)面。側(cè)裝式導軌不同于一般機加設(shè)備水平安裝的導軌，由于兩側(cè)導軌為側(cè)立式安裝且安裝位置不在相同平面，導軌直線度、平行度無法進行直接檢測。

中車株洲電力機車有限公司一臺大型加工中心由德國FOOKE 公司生產(chǎn)，為移動式龍門結(jié)構(gòu)，設(shè)置雙工位加工，主要用于城軌車輛鋁合金底架、頂蓋和邊梁等零部件的整體加工。設(shè)備全長73.1 m，寬5.59 m，X 軸最大行程65 m，Y 軸最大行程4.5 m，床身由箱型梁拼接組成，X 軸傳動方式為齒輪齒條傳動，導軌為側(cè)裝式直線導軌，安裝在床身側(cè)面。

1 問題

該設(shè)備投入使用已10 余年，期間從未做過導軌精度校調(diào)工作，由于設(shè)備地基的不均勻沉降和地腳螺栓松動，導致床身安裝精度發(fā)生了變化，X 軸直線度不能達到標準，傳動機構(gòu)精度超差，機床定位精度、重復(fù)定位精度超差，X 軸伺服電機功率大，機床工作時龍門抖動嚴重，部分加工產(chǎn)品精度不能滿足現(xiàn)有要求，如設(shè)備繼續(xù)如此使用，將會繼續(xù)對導軌、滑塊，甚至整個X軸驅(qū)動系統(tǒng)造成損害。

2 X 軸幾何誤差分析

2.1 機床X 軸導軌幾何誤差的主要影響因素

（1）機床加工主要區(qū)域一直承受橫梁的重力，使得導軌不同位置在Z 方向受力不均勻，再加上床身長期沉降的作用，造成了X 軸導軌在X-Z 平面上直線度超過機床允差值。

（2）機床加工過程中切削力不是一個均勻的數(shù)值，在橫梁受Y 方向切削力時會將該力傳至X 軸導軌上，長期作用下造成導軌X-Y 平面上的直線度超過機床允差值。

（3）機床在加工過程中產(chǎn)生熱量，主要含機床運行過程中運動部件產(chǎn)生的熱量和刀具切削工件產(chǎn)生的熱量[1]，這部分熱量通過外部環(huán)境傳導至X 軸導軌和床身上，造成床身的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導致導軌幾何誤差的產(chǎn)生。

2.2 X 軸導軌幾何誤差對機床精度的影響

X 軸導軌的幾何精度決定了橫梁在X 軸上的運動精度，從而影響加工工件的精度，因此導軌應(yīng)確保運動部件精確而平穩(wěn)地運動，才能保證工件獲得理想的幾何精度、形位精度和表面粗糙度。影響X 軸導軌幾何精度的主要因素有以下兩點：

（1）導軌在水平和垂直面內(nèi)的直線度誤差。導軌的直線是空間三維直線，需要在兩個相互垂直的平面（水平面和鉛垂面），即笛卡爾坐標系下分別校正[2]。直線度誤差是指被測實際直線相對于理想直線的偏離程度，是一種形狀誤差。X 軸導軌的直線度誤差在X-Z 平面和X-Y 平面，即Z 方向和Y 方向的直線度偏差，當產(chǎn)生直線度偏差時，會造成導軌成拱曲狀或凹陷狀，是對機床精度影響最大的區(qū)域。

（2）兩側(cè)導軌在鉛垂面內(nèi)的等高度誤差。等高度是指兩側(cè)導軌在鉛垂面上高度需保持一致，即兩側(cè)需保持一個水平狀態(tài)，如偏差過大則會導致龍門傾斜，滑塊受力不均勻，機床幾何精度不能滿足加工要求。

3 技術(shù)難點分析

因為移動式龍門結(jié)構(gòu)的特性，X 軸精度將直接影響其他各軸的精度，但由于機床導軌及驅(qū)動機構(gòu)均位于床身側(cè)面，且床身寬5.59 m，常用的直線度檢測工具（水平儀、條尺、光電自準直儀等）無法直接架設(shè)在床身上進行檢測，因此無法使用常規(guī)檢測工具和檢測方法進行校調(diào)。在校調(diào)過程中，導軌整體直線度始終隨著地腳螺栓的調(diào)節(jié)發(fā)生變化，由于床身長73.1 m，調(diào)節(jié)點多，精度要求高，過多地調(diào)節(jié)地腳螺栓將導致床身產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，后續(xù)的應(yīng)力釋放將導致精度再次降低。

4 校調(diào)方法

4.1 工裝設(shè)計制作

因該床身和直線導軌安裝的特殊性，無法直接使用常規(guī)工具進行檢測校調(diào)，經(jīng)過大量的理論分析和模擬測試，最終設(shè)計制作出一套輔助測量工裝（圖1、圖2），將側(cè)裝式導軌的直線度檢測方向轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较蜻M行檢測校調(diào)。圖1 中每個工裝各有兩塊，其中工裝1 安裝于4 個滑塊上，工裝與2 個下滑塊基準邊有定位銷定位，可保證工裝安裝滑塊的兩端高度相等。工裝2 安裝于另一個滑塊上，擁有垂直定位邊與滑塊基準邊貼合。10 個工裝需要兩兩同時加工，以保證同一工裝的等高，將工裝誤差對后期檢測校調(diào)的影響降到最低。

圖1 輔助測量工裝

圖2 實測現(xiàn)場

4.2 校調(diào)工作

4.2.1 利用工裝2 和水準儀檢調(diào)

因設(shè)備長度過長且現(xiàn)有精度太差，直接使用水平儀或自準直儀無法測量出準確數(shù)值，因此采用水準儀或精度更高的電子數(shù)顯式水準儀進行檢調(diào)。將水準儀架設(shè)在設(shè)備端頭，校正好水準儀本體，再將標尺垂直固定在工裝2 上，每間隔一個地腳螺栓孔距1.2 m 測量一個數(shù)值。將兩側(cè)床身全部測量完成后，取一個所測值的中間數(shù)值，由床身中段位置逐點往兩端進行校調(diào)，將高于中間值的點往下降低，低于中間值的點往上抬高，重復(fù)檢測校調(diào)，校調(diào)至所有測量點誤差范圍小于±0.5 mm，即可進行下一步校調(diào)。

4.2.2 利用工裝1 和水平儀校調(diào)鉛垂面直線度

選用4 個新滑塊安裝在基準側(cè)上、下導軌上，將工裝1 安裝在4 個新滑塊上，保證安裝面和滑塊緊密貼合。工裝1 和3 塊水平儀如圖2 所示安裝，其中工裝1 中間放置高精度電子水平儀（精度0.001 mm/m）,兩邊安裝普通框式水平儀（精度0.02 mm/m），測量記錄基準側(cè)直線導軌誤差值，并按二分法由中間向兩端逐點進行校調(diào)，即：以27 號測量點為中點，將導軌視為兩段，分別向1 號點和54 號點逐點進行校調(diào)，每次只校調(diào)該點誤差的1/2左右，如圖3 中校調(diào)一、二、三遍所示，反復(fù)多次校調(diào)。當多數(shù)測量點都能滿足要求時，只需局部校調(diào)，如圖3 校調(diào)四遍所示。校調(diào)至最終全長直線度誤差在0.1 mm 以內(nèi)，局部每米不大于0.015 mm。校調(diào)時注意保證床身無傾斜，即保證兩邊水平儀讀數(shù)不超0.02 mm/m[3]。

圖3 鉛錘面直線度校調(diào)數(shù)據(jù)

4.2.3 利用工具顯微鏡或光電自準直儀校調(diào)水平面直線度

因校調(diào)水平面直線度時，對鉛垂面直線度的影響較大，因此在鉛垂面直線度校調(diào)兩遍后，就應(yīng)對水平面直線度進行校調(diào)，可采用拉鋼絲配合工裝2 和工具顯微鏡的方法進行測量校調(diào)。選用直徑1 mm 的鋼絲，在設(shè)備兩端設(shè)置鋼絲固定點，安裝高度合適的鋼絲支撐架，用拉緊器拉緊鋼絲，并將工具顯微鏡安裝固定在工裝2 上，校正鋼絲相對于導軌兩端對零后即可進行測量校調(diào)，如圖4 所示。也可采用兩個工裝2 安裝在同一導軌上，將光電自準直儀和反射鏡分別安裝在兩個工裝2 上，直接進行測量校調(diào)，校調(diào)至最終全長直線度誤差在0.1 mm 以內(nèi)，局部每米不大于0.015 mm，反復(fù)檢測校調(diào)水平面和鉛垂面的直線度，直至兩個面的直線度誤差都能達到標準。

圖4 水平面直線度測量

4.2.4 利用工裝和橋尺進行兩側(cè)導軌等高校調(diào)

在基準側(cè)直線導軌鉛垂面和水平面直線度都能滿足全長誤差在0.1mm 以內(nèi)，局部每米不大于0.015 mm 的標準時，即可對另一側(cè)直線導軌進行校調(diào)，如圖2 所示，將工裝2、工裝3、工裝4 緊密貼合疊放安裝在兩側(cè)下滑塊上，將精度±0.005 mm 的7 m長高精度橋尺架在工裝4上，再利用工裝5 和螺桿將橋尺固定，橋尺中間擺放水平儀，用以測量兩側(cè)等高，每隔1.2 m（地腳螺栓孔距）測量一個數(shù)據(jù)，通過校調(diào)非基準側(cè)導軌將兩側(cè)等高調(diào)至小于0.01 mm/m，再采用前文所述方法進行該側(cè)導軌直線度校調(diào)，同時保證橋尺上水平儀數(shù)值不大于0.01 mm/m，此步驟完成后，該臺設(shè)備導軌直線度校調(diào)工作完成。

4.2.5 試機結(jié)果

設(shè)備完成導軌校調(diào)后，對X 軸驅(qū)動機構(gòu)、工作臺等進行檢調(diào)，并使用激光干涉儀對X 軸進行檢測補償，檢調(diào)全部完成后進入試機階段。設(shè)備試運行平穩(wěn)、無抖動，X軸伺服電機功率下降至合格范圍內(nèi)，定位精度和重復(fù)定位精度達到標準，后續(xù)試加工階段加工產(chǎn)品合格，證明此次校調(diào)成功。

5 結(jié)束語

對于大型數(shù)控加工中心尤其是該類超長型設(shè)備，導軌校調(diào)方法一般都無可借鑒的經(jīng)驗，但經(jīng)過大量的前期測試，大膽地探索一些輔助性工裝和手段，使得校調(diào)取得了成功，本文利用二分法校調(diào)超長直線導軌直線度，在實際工作中驗證了該方法的可行性，有效避免了大幅度校調(diào)對床身、導軌產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形，提高了校調(diào)精度。