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重型臥式車床幾何精度檢測與加工精度預估

2020-12-16 來源：天津中德應用技術大學機械工程學（xué）院作（zuò）者：馬林旭王麗娜

摘要: 以一（yī）台（tái）重型臥式車床為例，基於剛體（tǐ）運動學原理建立了機床幾何誤差模型，得到了各軸線幾何誤差源與（yǔ）加工誤差之間（jiān）的映射關係，而後采（cǎi）用激光幹涉儀、水平儀等（děng）測量儀器獲取了機床部分幾何誤差源的誤差數據，並進而預（yù）估出機床全工作空間內的加工誤差（chà）變化規律，可用於指導機床的誤差補（bǔ）償（cháng）等工作，以（yǐ）提高（gāo）機床的精度性能。

關鍵（jiàn）詞: 重型臥式車床; 幾何誤差建模; 誤差檢測（cè）; 精度預估

重型臥式車床廣泛（fàn）應用於能源、石化、船舶、航天等領域（yù），是車削各類大型回轉類零件的重要（yào）工作母機，對國防軍工、國民經濟發展具有重要戰略（luè）意義［1］。幾何精度是重型臥式車床的重要性能指標之一［2］，影（yǐng）響幾何（hé）精度的因素主要包括主軸回轉精度以及直線進給軸運動精度兩類，而直（zhí）線進給軸運動（dòng）精度是影響整機（jī）幾何精度的最重要因素。針對重型臥式車床（chuáng）幾（jǐ）何精（jīng）度檢測，諸多學者開（kāi）展了大量的研究工（gōng）作［3－8］，所采用的測量方法主要包括激（jī）光跟蹤儀、激光幹涉儀、自準直儀、水平（píng）儀以及步（bù）距規等，然（rán）而對於如何利用測量數據預估加工精度，並指導誤差（chà）補償以及加工工藝規劃，尚未有係統性研究。本（běn）文以一台重型（xíng）臥式（shì）車床為例，首先建立機床幾何誤差模型，並分析（xī）不同誤差源對加工精度的影響規律，之後采用激光幹涉儀（yí）開展誤差檢測實驗，最後基於檢測數據預估機床全工作空間內的加工誤差。

1、誤差建模（mó）與（yǔ）分析

本文研究對象為一台 SKODA SＲ5－420 /16m 型號的重（chóng）型臥式車床，如圖 1 所示。該重型臥式車床主要由主（zhǔ）軸箱、卡盤、刀架、尾座、床（chuáng）身與滑座構成，刀架（jià）進給方向為 x 向，滑座進給方向為 z 向。機床最大加工工（gōng）件（jiàn）直徑為 4 200 mm，最大切削長度為 16 m，最大（dà）加工工件質量為 250 t。為了描述運動部件刀架及滑座的（de）運（yùn）動誤差對刀尖點加工誤差的映射關係（xì），建立如圖 2 所示（shì）坐標係統。當刀架位於坐標零點位置時，在其所在導軌麵中心點 X0處建立與導軌固定連接（jiē）的坐標係 X0－xyz，並同時在（zài）刀架上與（yǔ） X0點重合的 X 點建立與刀架（jià）固定連接的連體坐標係 X－xyz。這樣一來，當刀架運動至坐標 x 處時，坐標係原（yuán）點 X 與 X0之間的 x 方向（xiàng）坐標差即為 x。同理，對於滑座所在的 z 軸建立類似的坐標係 Z0－xyz 與 Z－xyz。

計（jì）刀尖點為點 P，利用（yòng）剛體運動學基本原理，當刀架運動至坐（zuò）標 x 處時，由刀架運（yùn）動誤差引起的刀尖點空間位置誤差 Δr刀架可以表示為：

其中: δx( x) 、δy( x) 、δz( x) 與 εx( x) 、εy( x) 、εz( x) 分別表示刀架運動（dòng）過程中沿 3 個坐標方向的位置誤差與繞這 3 個（gè）坐標回轉的轉（zhuǎn）角誤差，XP→表示由（yóu）點 X 指向點 P的位置向量，腳標 x、y、z 表示向量XP→的 3 個分量。同理，當滑座運動至坐標 z 處時，由滑座（zuò）運動誤差引起的刀尖點空間位置誤差 Δ r滑座可以表示為：

於是，同時考慮刀架與滑座的影響，刀（dāo）尖（jiān）點位置誤差 Δr 可以表示為（wéi）:

2 、幾何誤差檢測

由上節中的分析可知，Δ ry對加工精度的影響可忽（hū）略，因（yīn）而在誤（wù）差（chà）檢測與加工精度預測的過程中僅需重點關注與 Δ rx、Δ rz相關的幾何（hé）誤差源。由於對 Δ rx與 Δ rz的（de）研究方（fāng）法完全一致，本文僅針對與刀尖（jiān）點 P的 x 向位置誤（wù）差 Δ rx相關的幾何誤差源進行檢測、分析與預測。下麵將采用激光幹涉儀以及電子水平儀等手段檢測與 Δ rx相關的 6 項幾何誤差源。具體檢測方法與檢測結果如（rú）下。

2．1 刀架運動誤差檢測（cè）

三（sān）項相關的幾何誤差源均采用激光幹涉（shè）儀進行誤差（chà）檢測。x 軸測（cè）量行程為 2 000 mm，每間隔（gé） 200 mm 測量（liàng）一次，測量點位數目為 11 個。測量過程中 x 軸進（jìn）給速度為8 m / min，每個測點停留時間（jiān）為 5 s，越（yuè）程量（liàng）為 5 mm，具體測量流程參照 GBT 16462．7－2009 中所述方法。針對每（měi）一項誤差源，一共往（wǎng）返測量 3 次，獲取 6 組誤差（chà）數據。利用激光幹涉（shè）儀轉角誤差檢測鏡組檢測 x 軸運動部件( 刀架) 繞 y 偏（piān）轉轉角誤差 εy( x) 的現場（chǎng）照片如圖3 所示。誤差源 δx( x) 、εy( x) 與 εz( x) 的檢測結果分別如圖（tú） 4 ～ 6 所示。依據 GBXXX 所提供的數據評價方法，定位誤差 δx( x) 偏（piān）轉的定位精度為 0．796 mm，重複定位精度為（wéi） 0．005 mm; 轉角誤差 εy( x) 的精（jīng）度為 0．019mm / m，重複精度為（wéi） 0．012 mm / m; 顛轉轉角誤差 εz( x)的精度為 0.282 mm /m，重（chóng）複精度為 0．013 mm /m。2．2 滑座運動誤差檢測直線度誤差 δx( z) 以及偏轉轉角誤差（chà） εy( z) 采用激光幹涉儀進行檢測，傾轉轉角誤差 εz( z) 由於旋轉（zhuǎn）方向繞其軸線，用（yòng）激光幹涉儀誤差檢測，故采用電子水（shuǐ）平儀進行檢測。z 軸測量行程為 17 000 mm，每間隔 500mm 測量一次，測量點位數（shù）目（mù）為 35 個。測量過程中 z軸進給速度為 8 m/min，每個（gè）測點停留時（shí）間為 5 s，越程（chéng）量為 5 mm。針對（duì）每一項誤差源，一共往（wǎng）返測量 3次，獲取 6 組誤差數據。

利（lì）用激（jī）光幹涉儀直線度誤差檢（jiǎn）測鏡組檢測 z 軸運動部件( 滑座) 沿 x 方向直線度誤差 δx( z) 的現場照片如圖 7 所示。誤差源 δx( z) 、εy( z) 與 εz( z) 的檢測結果分別如圖 8 ～ 10 所示。直線度誤差 δx( z) 的精度為0．054 mm，重複定位精度為 0．018 mm; 偏轉轉角誤差（chà）εy( z) 的精度為（wéi） 0．067 mm /m，重複精度為（wéi） 0.018 mm /m; 傾轉轉角誤差 εz( z) 的精（jīng）度為 0．042 mm /m，重複精度為 0．007 mm/m。

3 、加（jiā）工精度預測

重型臥式車床的工作空間為由 x 軸（zhóu）和 z 軸構成的經過（guò）主軸（zhóu）旋（xuán）轉軸線的矩形平麵區域。依據車床幾何誤差模型式( 3) ，將第 2 節（jiē）中（zhōng）檢測得到的（de） 6 項幾何誤差源數據代（dài）入（rù）到（dào）誤差模型中，即可預估（gū）出刀尖點的 x 向（xiàng）位置誤差在全部（bù）工作空間中的變化情況（kuàng），具體結果如圖 11 所（suǒ）示。可以看出隨著 x 坐標的增大，即刀尖點遠離主軸旋轉軸線，刀尖點（diǎn）誤差 Δ rx呈逐漸增大的趨（qū）勢; 隨著 z 坐標的變化，Δ rx呈波浪形（xíng）變化，無明顯規律。全工作空間中，Δ rx的平均值為（wéi） 0．246 mm，最大（dà）值為 0．479 mm。刀尖（jiān）點 z 向位置誤差Δ rz也可利用相同的方法獲得。基於上述（shù）結果，我們可以獲取車床運動至工作（zuò）空間任意一點處的加工誤差，並基（jī）於此修正加工程序，抵消機床誤差對加工精度的不利影響。

4 、結語

本文以一台重型臥式車床為例，為了提高其加（jiā）工精度，基於剛體運動學原理建立（lì）了機床幾何誤差模型，得（dé）到了各（gè）軸線（xiàn）幾何誤差源與加工（gōng）誤差之間的映（yìng）射關（guān）係，而後采用（yòng）激光（guāng）幹涉儀、水平儀等測量儀（yí）器獲（huò）取了機床（chuáng）部分（fèn）幾何誤差源的誤差數據，並進而預（yù）估（gū）出機（jī）床全工作空間內的加工誤差變化規律，可用於指導機床的誤差補償等（děng）工作，以提高機床的精度性能。

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