加工中心幾何精度的研究 - 加工中心
加工中心幾何精度的研究 加工中心，作為排除了加工時(shí)人的具體干預(yù)的自動(dòng)機(jī)床，它的幾何精度檢驗(yàn)必須真實(shí)地反映其工作區(qū)內(nèi)形成工件輪廓表面的刀尖點(diǎn)相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律性要求，因此，其檢驗(yàn)的重點(diǎn)，應(yīng)該是影響工件加工的形位精度。本文就內(nèi)容改動(dòng)較大的ISO/DIS10791中的幾何精度檢驗(yàn)部分行將貫徹之際，對(duì)照目前正在執(zhí)行的JB/GQ1140-89加工中心部頒標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)表一孔之見(jiàn)，探討加工中心幾何精度檢驗(yàn)的合理性。 1 揭示部件運(yùn)動(dòng)直線度的兩類(lèi)誤差運(yùn)動(dòng)部件沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的直線度，不僅直接影響工件的形狀精度，還間接影響工件的位置精度(通過(guò)部件運(yùn)動(dòng)的平行度、垂直度等)和尺寸精度(通過(guò)部件運(yùn)動(dòng)的定位精度)，故它是加工中心幾何精度檢驗(yàn)的重點(diǎn)和基礎(chǔ)。 眾所周知，部件的直線運(yùn)動(dòng)總是包含著六個(gè)誤差因素：運(yùn)動(dòng)部件上任一有代表性的點(diǎn)(如刀尖點(diǎn)、工件中心點(diǎn)或工作臺(tái)中心點(diǎn)等)在運(yùn)動(dòng)方向上的一個(gè)位置誤差，兩個(gè)該點(diǎn)軌跡的線誤差和三個(gè)該點(diǎn)軌跡的角度誤差(圖1)。當(dāng)僅考查部件沿X軸運(yùn)動(dòng)的直線度時(shí)，則排除位置誤差EXX這個(gè)因素，應(yīng)該檢測(cè)點(diǎn)沿Y軸(在XY平面內(nèi))和Z軸(在XZ平面內(nèi))方向平動(dòng)的線值誤差EXY、EXZ以及點(diǎn)繞X軸傾斜，繞Y軸擺動(dòng)和繞Z軸起伏的旋轉(zhuǎn)角值誤差EAX、EBX和ECX這五項(xiàng)誤差的全部，缺一不可(應(yīng)當(dāng)指出，由于阿貝誤差的影響，運(yùn)動(dòng)部件上不同的點(diǎn)受所測(cè)得角值直線度誤差的影響程度是不同的)，這是因?yàn)榻侵嫡`差和線值誤差是兩類(lèi)性質(zhì)完全不同的直線度誤差。具體表現(xiàn)在：(1)它們的形成機(jī)理完全不同，線值誤差是運(yùn)行中運(yùn)動(dòng)部件平移導(dǎo)致的，角值誤差則是運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)行中旋轉(zhuǎn)造成的。(2)兩類(lèi)誤差從理論上講不能直接相互換算，不能用一類(lèi)誤差補(bǔ)償另一類(lèi)誤差(當(dāng)然，角度很小時(shí)，用線值誤差近似表示角值誤差的對(duì)應(yīng)弧值是允許的)。(3)線值誤差用偏離理想直線的長(zhǎng)度值計(jì)，角值誤差則是偏離原位的繞軸線的轉(zhuǎn)角值，以比值、微角或微弧計(jì)。(4)線值誤差只能用線值檢測(cè)器具(平尺和千分表，鋼絲和顯微鏡，準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡或激光干涉儀等)檢驗(yàn)，角值誤差必須用角度檢具(水平儀、自準(zhǔn)直儀、激光干涉儀等)才能檢出。因此，少檢這五項(xiàng)誤差中的任何一項(xiàng)，都會(huì)造成直線誤差的漏檢。例如，只用千分表和平尺檢工作臺(tái)沿X軸移動(dòng)的直線度(圖2)，不論在水平面還是垂直面內(nèi)，都會(huì)出現(xiàn)圖示那種運(yùn)動(dòng)實(shí)際不平直而千分表讀數(shù)卻始終不變(示平直)的情況，漏檢了角值誤差。同樣，單用水平儀或自準(zhǔn)直儀檢工作臺(tái)沿X軸移動(dòng)的直線度時(shí)，也會(huì)在水平面或垂直面內(nèi)檢不出圖3所示那樣的的平移直線度誤差。 圖1 臥式加工中心直移部件運(yùn)動(dòng)誤差示意圖 圖2 工作臺(tái)直移的轉(zhuǎn)角誤差 圖3 工作臺(tái)直移的平移誤差 2 加工中心新、舊幾何精度標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)的評(píng)析JB/GQ1140—89加工中心精度標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)動(dòng)直線度檢驗(yàn) 在JB/GQ1140-89標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)各坐標(biāo)軸線運(yùn)動(dòng)直線度的檢驗(yàn)，有明顯的漏檢現(xiàn)象。例如工作臺(tái)沿X軸移動(dòng)的直線度，只通過(guò)序號(hào)G2的a和b兩項(xiàng)，檢測(cè)了它沿Z軸(水平面內(nèi))和Y軸(垂直面內(nèi))平移的兩個(gè)線值直線度誤差，又通過(guò)序號(hào)G3檢測(cè)了它繞X軸傾斜的角值直線度誤差，而漏檢了它繞Y軸的擺動(dòng)和繞Z軸的起伏兩項(xiàng)角值直線度誤差，因此檢驗(yàn)合格的機(jī)床仍可能是不合格的。這里應(yīng)當(dāng)指出，G3檢項(xiàng)稱(chēng)作移動(dòng)的平行度不符合ISO230-1∶1996中平行度的定義，顯然是概念不清或名不符實(shí)。同理，Z軸方向同X軸方向相似，只檢了兩個(gè)線值和繞Z軸傾斜角值的直線度誤差，漏檢了繞X軸的起伏和繞Y軸的擺動(dòng)兩項(xiàng)角值直線度誤差。而Y軸方向則只檢了兩個(gè)線值直線度誤差，角值直線度誤差全部漏檢。此外，根本未列項(xiàng)檢驗(yàn)主軸及滑枕(有此結(jié)構(gòu)時(shí))沿軸線移動(dòng)的直線度誤差。 運(yùn)動(dòng)的平行度和垂直度檢驗(yàn) 在JB/GQ1140-89標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)有關(guān)運(yùn)動(dòng)平行度的檢驗(yàn)，只檢了主軸軸線對(duì)Z軸運(yùn)動(dòng)的平行度和X軸運(yùn)動(dòng)對(duì)工作臺(tái)T形槽或棱邊的平行度，而嚴(yán)重影響加工精度的主軸及滑枕沿其軸線運(yùn)動(dòng)對(duì)Z軸運(yùn)動(dòng)的平行度以及X軸運(yùn)動(dòng)或Z軸運(yùn)動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面的平行度等卻未列項(xiàng)檢驗(yàn)。對(duì)有關(guān)運(yùn)動(dòng)垂直度的檢驗(yàn)，也只檢了垂直坐標(biāo)軸對(duì)工作臺(tái)面的垂直度，未檢X軸運(yùn)動(dòng)對(duì)Y軸運(yùn)動(dòng)和Z軸運(yùn)動(dòng)的垂直度。這樣一些相互運(yùn)動(dòng)的位置精度不檢，呈模糊狀態(tài)，未真實(shí)反映機(jī)床的幾何精度，顯然不合理，不科學(xué)。 G11所檢靜態(tài)的主軸軸線與工作臺(tái)面的平行度(臥式)或垂直度(立式)，實(shí)用意義不大，而G19靜態(tài)的工作臺(tái)T形槽直線度的檢測(cè)，更可取消，因這是工作臺(tái)零件的檢項(xiàng)。ISO/DIS10791國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)幾何精度檢驗(yàn)部分 運(yùn)動(dòng)直線度檢驗(yàn) 在ISO/DIS10791標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)直線度誤差的檢測(cè)，都是按分別檢測(cè)二個(gè)線位移誤差和三個(gè)角位移誤差的方法進(jìn)行的，完全符合前述直線度的合理檢驗(yàn)方法。這里應(yīng)著重指出的是，Y軸運(yùn)動(dòng)直線度中繞Y軸傾斜分量的檢法，因水平儀無(wú)法放置，不能用；而自準(zhǔn)直儀需把反射鏡放在主軸箱上，又無(wú)法保證自準(zhǔn)直儀與反射鏡的同步直移精度，也不宜用。故如圖4所示，它是借助于線值檢具千分表和圓角尺，在工作臺(tái)相距d長(zhǎng)的兩個(gè)位置上，均沿Y軸移動(dòng)千分表，并于圓角尺同一側(cè)母線的5個(gè)等距點(diǎn)分別讀數(shù)，計(jì)算每個(gè)測(cè)量高度工作臺(tái)兩位置讀數(shù)的差值，可求得 (******差值—最小差值)/d=tand≈d式中 d——繞Y軸傾斜角誤差 同時(shí)也列項(xiàng)檢驗(yàn)了主軸和滑枕沿其軸線移動(dòng)直線度。 運(yùn)動(dòng)的平行度和垂直度檢驗(yàn) ISO/DIS10791標(biāo)準(zhǔn)(草案)，規(guī)定了各相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件間的平行度和垂直度的檢驗(yàn)。既有工作臺(tái)面與主軸軸線各自對(duì)相關(guān)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的平行度和垂直度，也有主軸與主軸滑枕沿軸線運(yùn)動(dòng)對(duì)Z軸運(yùn)動(dòng)的平行度以及各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)間的垂直度。這些檢驗(yàn)表明，新標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的是加工中心在各部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下幾何精度的全面檢驗(yàn)，而未檢靜止?fàn)顟B(tài)的幾何精度，這就直接反映了工作臺(tái)面、主軸軸線與坐標(biāo)軸線間在實(shí)際工作時(shí)的位置關(guān)系，也表明了直接影響工件形位精度的，坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)時(shí)坐標(biāo)軸間的位置精度，因此是合理的。用新標(biāo)準(zhǔn)取代舊標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)疑有利于機(jī)床質(zhì)量的提高，勢(shì)在必行。3 對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)(草案)幾點(diǎn)商榷直線度是平行度和垂直度測(cè)量的基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為在檢驗(yàn)兩直線平行或垂直時(shí)應(yīng)把直線度誤差考慮進(jìn)去，由此，新標(biāo)準(zhǔn)的下述內(nèi)容值得商榷。 ISO/DIS10791標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于Z與Y、Y與X及X與Z任意兩運(yùn)動(dòng)軸線垂直度的檢驗(yàn)，均按兩軌跡互相正交的檢法，先使角尺的一邊精確平行于部件上一點(diǎn)沿其中一個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的軌跡Ⅰ，再測(cè)該點(diǎn)沿另一坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的軌跡Ⅱ?qū)浅吡硪粦疫叺钠叫卸龋谷舾牲c(diǎn)的等距誤差在允差之內(nèi)(垂直度的測(cè)量實(shí)質(zhì)是平行度的測(cè)量)。按此檢法： 必須規(guī)定軌跡Ⅰ運(yùn)動(dòng)部件在支撐導(dǎo)軌上的確定位置，而新標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)此要求，這將存在部分誤差的漏檢現(xiàn)象，導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果的異議。現(xiàn)以工作臺(tái)沿X軸運(yùn)動(dòng)，主軸箱沿Y軸運(yùn)動(dòng)的垂直度檢驗(yàn)為例(圖5)，分析如下： 在工作臺(tái)沿X軸運(yùn)動(dòng)的全程內(nèi)，軌跡Ⅰ肯定有包括XY平面中沿Y軸平移和繞Z軸起伏角誤差在內(nèi)的直線度誤差，調(diào)整置于工作臺(tái)上平尺與軌跡Ⅰ精確平行，也只能是軌跡兩端或有限點(diǎn)等距。軌跡Ⅰ的直線度誤差，尤其是繞Z軸起伏角誤差的直線度誤差分量，必將導(dǎo)致工作臺(tái)處于行程內(nèi)不同位置時(shí)，臺(tái)面與理想X軸線的夾角各異，直接影響X軸與Y軸運(yùn)動(dòng)的垂直度誤差讀數(shù)。可見(jiàn)，不考慮工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線度，將導(dǎo)致由此引起的這部分誤差漏檢，而考慮X軸運(yùn)動(dòng)直線度的影響，就必須規(guī)定檢測(cè)Y軸運(yùn)動(dòng)對(duì)角尺另一懸邊平行時(shí)工作臺(tái)的合理確定位置，否則可能有此類(lèi)更大誤差漏檢。 如果機(jī)床的Z軸運(yùn)動(dòng)是立柱沿Z向床身直線移動(dòng)的布局形式(圖5)，則X軸與Y軸運(yùn)動(dòng)的垂直度檢驗(yàn)還應(yīng)規(guī)定，檢測(cè)軌跡Ⅱ與角尺另一懸邊平行時(shí)，立柱在Z向床身導(dǎo)軌上的確定位置。因?yàn)榻o予主軸箱沿Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的立柱，需完成沿Z軸的直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中繞Z軸旋轉(zhuǎn)的直線度角誤差分量將使立柱傾斜，導(dǎo)致主軸箱沿一條偏離理想Y軸線的斜線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生Y軸與X軸運(yùn)動(dòng)的垂直度誤差。顯然，立柱定位在Z向的不同位置，立柱的傾角也是不同的。 圖4 Y軸運(yùn)動(dòng)直線度之Y軸傾斜角誤差檢驗(yàn)圖 a、b、c——三種數(shù)值大小相等但形式不同的直線度誤差dZs，其中 dZsa=dZsb=dZscⅠ、Ⅱ、Ⅲ——三種方向與數(shù)值不同的平行度誤差dZp,其中dZp1=0,dZp2和dZp3的誤差大小相等方向相反。圖6 運(yùn)動(dòng)的直線度和平行度誤差的合成 圖5 X軸與Y軸運(yùn)動(dòng)垂直度檢驗(yàn)的示意圖 基于同樣道理，ISO/DIS10791標(biāo)準(zhǔn)在檢驗(yàn)主軸軸線與Z軸運(yùn)動(dòng)的平行度時(shí)，未考慮Y軸運(yùn)動(dòng)直線度誤差的影響，未規(guī)定主軸箱在立柱上的確定高度。分別檢驗(yàn)工作臺(tái)面上排直定位孔基準(zhǔn)和工作臺(tái)側(cè)定位基準(zhǔn)對(duì)Z軸運(yùn)動(dòng)的平行度時(shí)，未考慮X軸運(yùn)動(dòng)在XZ平面內(nèi)繞Y軸擺動(dòng)直線度角誤差分量的影響，未規(guī)定工作臺(tái)在X方向的確定位置。它們都將導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果的不確定性，最終難以貫徹實(shí)施。 對(duì)沿一個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的部件，被沿另一坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的部件導(dǎo)向的機(jī)床布局，如圖1中沿X軸運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)被沿Z軸在床身上運(yùn)動(dòng)的滑座導(dǎo)向的布局情況，還存在著工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線度受到滑座運(yùn)動(dòng)直線度影響的兩部分誤差合成的問(wèn)題。因?yàn)榛\(yùn)動(dòng)的繞Y軸擺動(dòng)的這項(xiàng)直線度角誤差分量，將使滑座傾斜，導(dǎo)致滑座上原本平行于理想X軸的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，產(chǎn)生了平行度誤差，從而導(dǎo)致最終工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)直線度誤差的增大。圖6所示為工作臺(tái)在X向全行程L內(nèi)，差值相同的a、b、c三種型式直線度誤差dZs，受到滑座在Z向三個(gè)位置的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種不同傾斜角影響，附加產(chǎn)生工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的平行度誤差dZp時(shí)，工作臺(tái)合成誤差dZs+p的變化情形。可以看出，滑座沿Z軸運(yùn)動(dòng)的直線度對(duì)工作臺(tái)沿X軸運(yùn)動(dòng)的直線度的影響很顯著，是不能忽視的，ISO/DIS10971標(biāo)準(zhǔn)未考慮這個(gè)影響因素，顯然會(huì)直接影響它的準(zhǔn)確與合理。