機(jī)床導(dǎo)軌安裝面幾何誤差快速測(cè)量裝置研究

宗春滿

【摘?要】近年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程有了很大進(jìn)展，對(duì)機(jī)床的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是在基礎(chǔ)部件制造精度、整機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性方面一直與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距。提高整機(jī)質(zhì)量的一致性與穩(wěn)定性，最重要的一個(gè)方面就是提升床身、立柱等關(guān)鍵零/部件的制造精度，而機(jī)床導(dǎo)軌安裝面的加工精度是影響整機(jī)精度和裝配效率最主要的因素。根據(jù)機(jī)床基礎(chǔ)大件的實(shí)際加工檢測(cè)需求，針對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)大件上的導(dǎo)軌安裝平面，設(shè)計(jì)了一套新型專用機(jī)床導(dǎo)軌安裝面幾何誤差檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌安裝面幾何誤差的準(zhǔn)確、快速和高效測(cè)量。通過(guò)與高精度光電自準(zhǔn)直儀的對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)，證明開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)與自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度相當(dāng)，但在測(cè)量效率方面有明顯提升，能更加高效、快速地完成多項(xiàng)幾何誤差的測(cè)量。檢測(cè)系統(tǒng)的研究成果對(duì)提高國(guó)內(nèi)機(jī)床制造業(yè)的制造精度和一致性具有積極的意義。

【關(guān)鍵詞】機(jī)床導(dǎo)軌安裝面;幾何誤差;測(cè)量系統(tǒng);基準(zhǔn)導(dǎo)軌

引言

機(jī)床的加工誤差體現(xiàn)在刀具切削點(diǎn)實(shí)際位置與理想位置的偏差，是由各類誤差傳遞與耦合而成，其中零部件的幾何誤差產(chǎn)生的誤差占了很大部分?；诙囿w系統(tǒng)理論，提出了關(guān)鍵性幾何誤差源識(shí)別的方法，可以有效地識(shí)別對(duì)機(jī)床空間誤差影響較大的零部件幾何誤差因素。

1機(jī)床導(dǎo)軌變形的理論計(jì)算

檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)要求本課題的研究對(duì)象是VMC850型立式數(shù)控加工中心。在立式加工中心的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，線性導(dǎo)軌由專門(mén)的導(dǎo)軌制造公司提供，國(guó)內(nèi)機(jī)床企業(yè)一般直接外購(gòu)機(jī)床上使用的各類線性導(dǎo)軌，這類外購(gòu)導(dǎo)軌的加工制造精度相對(duì)比較高;所以，機(jī)床導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)誤差主要受到機(jī)床導(dǎo)軌安裝面制造誤差的影響，也就是受到由機(jī)床企業(yè)自身生產(chǎn)的床身和立柱等關(guān)鍵零件的加工精度的影響。

1.1機(jī)床導(dǎo)軌垂直面內(nèi)的誤差

機(jī)床導(dǎo)軌橫截面尺寸一般都比較大，導(dǎo)軌內(nèi)部熱傳遞較慢，當(dāng)滑塊從導(dǎo)軌的上表面經(jīng)過(guò)會(huì)發(fā)熱，而這個(gè)熱量不會(huì)迅速的傳遞到下表面，從而導(dǎo)致熱量不均勻。如果頂面的溫度為T(mén)1，底面的溫度為T(mén)2，環(huán)境溫度為T(mén)0，則相應(yīng)的溫度變化分別為ΔT1=T1-T0，ΔT2=T2-T0。

1.2導(dǎo)軌形位誤差矢量

形位誤差可概括為點(diǎn)、線、面等基本幾何要素相對(duì)理想要素的變動(dòng)量。在三維空間中，誤差變動(dòng)量可描述為沿3個(gè)坐標(biāo)軸的平動(dòng)和繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別用d=（u，v，w）和θ=（α，β，δ）表示平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的微小變動(dòng)矢量，兩組矢量的合成矢量D=（d，θ）=（u，v，w，α，β，δ）稱為小位移旋量，簡(jiǎn)稱旋量。u，v，w，α，β，δ為旋量的旋量參數(shù)。不同類型誤差的旋量特征不同。若幾何要素沿某一個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡不產(chǎn)生新的誤差掃掠實(shí)體，此時(shí)該方向的旋量參數(shù)為零。

1.3機(jī)床導(dǎo)軌水平面內(nèi)的誤差

由于制造和安裝精度的原因，導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的也會(huì)產(chǎn)生變形。根據(jù)ISO230的描述，機(jī)床工作臺(tái)在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生六項(xiàng)誤差，分別是一個(gè)定位誤差、二個(gè)直線度誤差和三個(gè)轉(zhuǎn)角誤差，這里所提出的轉(zhuǎn)角誤差指的是滑塊和導(dǎo)軌之間的角度誤差。

2總體方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于機(jī)床導(dǎo)軌安裝平面位置特殊及被測(cè)量安裝面狹小，現(xiàn)有的檢測(cè)工具不能對(duì)導(dǎo)軌安裝平面進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和有效地檢測(cè)，需要開(kāi)發(fā)新的檢測(cè)工具。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)床導(dǎo)軌安裝面幾何誤差測(cè)量研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)的分析，結(jié)合工廠實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌安裝面測(cè)量的需求，本文采用基準(zhǔn)導(dǎo)軌法的測(cè)量方案，提出基于電渦流傳感器的機(jī)床導(dǎo)軌安裝面幾何誤差快速測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了以下的測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)中，將4個(gè)電渦流傳感器安裝于支架上且分別朝向機(jī)床導(dǎo)軌安裝平面的兩底面和兩側(cè)面，傳感器與支架固定于測(cè)量小車之上。測(cè)量過(guò)程如下：測(cè)量小車沿大理石基準(zhǔn)導(dǎo)軌移動(dòng)，以大理石導(dǎo)軌的頂面和一個(gè)側(cè)面分別作為水平和垂直方向的測(cè)量基準(zhǔn)，采集測(cè)量方向上不同位置處電渦流傳感器的信號(hào)，然后通過(guò)電渦流傳感器前置調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集裝置，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，經(jīng)由無(wú)線通訊模塊發(fā)送，PC端接收測(cè)量信號(hào)，并利用測(cè)量程序?qū)ζ溥M(jìn)行記錄，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序分別計(jì)算得到機(jī)床導(dǎo)軌安裝平面兩底面和兩側(cè)面的直線度及平行度誤差。測(cè)量系統(tǒng)主要由支承定位結(jié)構(gòu)單元、信號(hào)采集硬件電路單元和數(shù)據(jù)處理軟件單元3部分組成。

3誤差補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

（1）誤差補(bǔ)償模塊的硬件設(shè)計(jì)。機(jī)床導(dǎo)軌的精度通過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)，在激光干涉儀測(cè)量出誤差數(shù)據(jù)后發(fā)送到誤差補(bǔ)償模塊中，CNC系統(tǒng)將接收的NC代碼和補(bǔ)償模塊中的NC代碼作比較，產(chǎn)生新的NC代碼從而保證主軸和導(dǎo)軌的相對(duì)位置更加精確。（2）誤差補(bǔ)償模塊的軟件設(shè)計(jì)。誤差補(bǔ)償模塊置于控制系統(tǒng)之外，機(jī)床導(dǎo)軌的直線度和平行度誤差由激光干涉儀測(cè)量產(chǎn)生，誤差值和當(dāng)前反射鏡的移動(dòng)的位置有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床導(dǎo)軌誤差的有效補(bǔ)償，必須首先設(shè)定誤差值，然后通過(guò)測(cè)量值和設(shè)定值作比較，若測(cè)量的誤差值大于設(shè)定值，則這個(gè)誤差值存儲(chǔ)在補(bǔ)償值的序列中，反之，若小于設(shè)定值，則直接執(zhí)行下一條指令。

4測(cè)量系統(tǒng)分析

評(píng)價(jià)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)需要確定3個(gè)基本因素：首先，系統(tǒng)是否具備足夠的（有效）分辨率;其次，系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)是否保持統(tǒng)計(jì)上的一致;最后，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特性在預(yù)期范圍內(nèi)是否一致，即該測(cè)量系統(tǒng)用于過(guò)程分析和控制是否可以接受。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)分析的過(guò)程采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用成熟的數(shù)據(jù)分析方法，如方差分析、回歸分析等，對(duì)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而完成對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)。測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，反映了系統(tǒng)的各個(gè)計(jì)量特性在一定的時(shí)間范圍內(nèi)保持恒定的能力。合格測(cè)量系統(tǒng)的基本條件之一就是測(cè)量系統(tǒng)要有穩(wěn)定性。一般采用測(cè)量結(jié)果的控制圖來(lái)判斷測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的控制圖有單值移動(dòng)極差控制圖、均值極差控制圖和均值標(biāo)準(zhǔn)差控制圖等。由于立式加工中心床身產(chǎn)量相對(duì)較低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和測(cè)量成本高，這里使用單值移動(dòng)極差控制圖。選取某一待檢測(cè)的立式加工中心床身作為樣品，對(duì)床身的4個(gè)導(dǎo)軌安裝平面進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，平均每5min采集一組數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到4項(xiàng)導(dǎo)軌安裝面的直線度誤差與2項(xiàng)相對(duì)導(dǎo)軌安裝面的平行度誤差。在試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間內(nèi)，共采集40組數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)誤差主要由兩個(gè)部分組成，重復(fù)性誤差與再現(xiàn)性誤差。重復(fù)性誤差的產(chǎn)生是由測(cè)量設(shè)備本身的固有波動(dòng)引起，而再現(xiàn)性誤差主要與評(píng)價(jià)人員、評(píng)價(jià)方法、測(cè)量地點(diǎn)、使用條件和測(cè)量時(shí)間等相關(guān)。使用Minitab軟件分別繪制6項(xiàng)幾何誤差的單值移動(dòng)極差控制圖（I-MRChart），以C平面直線度誤差控制圖為例（其他5項(xiàng)幾何誤差的單值移動(dòng)極差圖與此圖類似），C平面直線度誤差控制圖如圖1所示。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種新的機(jī)床導(dǎo)軌安裝面直線度誤差測(cè)量系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其測(cè)量原理，闡述了測(cè)量系統(tǒng)的組成和運(yùn)行機(jī)制，概述了測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集硬件以及數(shù)據(jù)處理軟件等部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。通過(guò)與現(xiàn)有的高精度光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行對(duì)比，本文開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與自準(zhǔn)直儀測(cè)量精度相當(dāng)，但在測(cè)量效率方面有明顯提升，能更加高效、快速地完成多項(xiàng)幾何誤差測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧延平，劉戰(zhàn)鋒.國(guó)內(nèi)外高精度直線度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程，2005（6）：82-84.

[2]高帥.直線導(dǎo)軌多自由度幾何誤差同時(shí)測(cè)量中誤差分析與補(bǔ)償方法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[3]機(jī)械科學(xué)研究院，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.直線度誤差檢測(cè)：GB/T11336—2004[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

（作者單位：齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）