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重型臥（wò）式車床幾何精度檢測與加工精度預估

2020-12-16 來源：天津（jīn）中德應用技（jì）術（shù）大學機械工程學院作者（zhě）：馬林旭王麗娜

摘要: 以一台重型臥式車床為例（lì），基於剛體運動學原理建立了機床幾何誤差模型（xíng），得到了各軸線幾何誤差源與加工誤差之間的映（yìng）射關係，而後采用激光幹涉（shè）儀、水平儀等測量儀器獲取了機床（chuáng）部分幾何誤差源的誤差數據，並進而預估出機床全工作空間內的加工誤差變化規（guī）律，可用於指導機床的（de）誤差補償等工（gōng）作，以提高機床的精度性能。

關鍵詞: 重型臥式車床; 幾何誤差建模; 誤差檢測; 精度預估

重型臥式車床（chuáng）廣泛（fàn）應用於能源、石化（huà）、船舶、航天等（děng）領域，是車削各（gè）類大型回轉（zhuǎn）類零件的重要工作母機，對國防軍工、國（guó）民經濟發展具有重要戰略意義［1］。幾何（hé）精度是重型（xíng）臥式車床的重要性能（néng）指標之一［2］，影響幾何精度的（de）因素主要包括主軸回轉精度以及直線進（jìn）給軸（zhóu）運動精度（dù）兩類，而直（zhí）線進給軸運動精度是影響整機幾何精度的最重要因素。針對重型臥式車床幾何精度檢測，諸多學者（zhě）開展了大量的研究工作［3－8］，所采用的測量方法（fǎ）主要包（bāo）括激光跟蹤儀、激光幹涉儀、自準直儀、水平儀以及（jí）步距規等，然而對於如何利（lì）用（yòng）測量數據預估加工精度，並指導誤差補償以及加工工藝規劃，尚未有係統性研究。本文以一台重型臥（wò）式車床為例，首先建立機床幾何誤差（chà）模型，並分析不同誤差源對加工精度的影（yǐng）響（xiǎng）規律，之後采用激光幹涉儀開（kāi）展誤差檢（jiǎn）測實（shí）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、誤差建模與分析

本文研究對象為一（yī）台 SKODA SＲ5－420 /16m 型號的重型臥式車床，如圖 1 所示（shì）。該重型臥式車床主要由主軸箱、卡盤、刀架、尾座、床身與滑座構成，刀架進給方向為 x 向，滑座進給方向（xiàng）為 z 向。機床最大加工工件直徑（jìng）為 4 200 mm，最大切削長度為 16 m，最大加工工件質量為 250 t。為了描述運動部件刀架及滑座的運動誤差（chà）對刀尖點加工（gōng）誤差的映射關（guān）係，建立如圖 2 所示坐標係（xì）統。當（dāng）刀架位於坐標零點位置時，在其所在導軌麵中心點（diǎn） X0處建（jiàn）立（lì）與導軌固定（dìng）連（lián）接的坐標係（xì） X0－xyz，並同（tóng）時在刀架上與 X0點（diǎn）重（chóng）合的 X 點建立（lì）與刀架固定連接的連體（tǐ）坐標（biāo）係 X－xyz。這樣一來，當（dāng）刀架運動至坐標 x 處時，坐標係原點 X 與 X0之（zhī）間的 x 方向坐標差即為 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，利用剛體運動學基本（běn）原理，當刀（dāo）架運動至坐標（biāo） x 處時，由刀架運動誤差引起的刀尖點空間位置誤差（chà） Δr刀架可（kě）以（yǐ）表示（shì）為：

其（qí）中: δx( x) 、δy( x) 、δz( x) 與 εx( x) 、εy( x) 、εz( x) 分別表示刀架運動過程中沿 3 個坐（zuò）標方向的（de）位置誤差與（yǔ）繞這 3 個坐標回轉的轉角誤差，XP→表（biǎo）示由點 X 指向點 P的位置向（xiàng）量，腳標 x、y、z 表示向量XP→的 3 個分量。同理（lǐ），當（dāng）滑座運動至坐標（biāo） z 處時（shí），由（yóu）滑座運動誤差引起的（de）刀尖點空（kōng）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，刀尖點（diǎn）位置誤差 Δr 可以（yǐ）表示為:

2 、幾何誤差檢測

由上節中的分析可知，Δ ry對（duì）加工精度（dù）的影響可忽略，因而在誤差檢（jiǎn）測與（yǔ）加工精度預測的過程中僅需重點關注與 Δ rx、Δ rz相關的（de）幾何誤差（chà）源。由於對 Δ rx與 Δ rz的研究方法完全一致，本文僅針（zhēn）對與刀尖點 P的 x 向（xiàng）位置誤差 Δ rx相關的幾何誤差源進行檢測、分析與預測。下麵將采用（yòng）激光幹涉儀（yí）以及電子水（shuǐ）平儀等（děng）手段（duàn）檢測與 Δ rx相關的 6 項幾（jǐ）何誤差（chà）源。具體檢（jiǎn）測方（fāng）法（fǎ）與檢測（cè）結（jié）果如下。

2．1 刀架運動誤差檢測（cè）

三項相關的幾何誤差源均采用激光幹涉儀進行（háng）誤差檢測。x 軸測量行程為 2 000 mm，每間隔（gé） 200 mm 測量一次，測量點位數目為 11 個。測量過程中 x 軸進給速度（dù）為8 m / min，每（měi）個測（cè）點停留時間為（wéi） 5 s，越程量為 5 mm，具體測量流程參照 GBT 16462．7－2009 中所述方法。針（zhēn）對每一項誤（wù）差源，一（yī）共往返測量 3 次，獲取 6 組（zǔ）誤差數據。利用激光幹涉儀轉角誤差（chà）檢測（cè）鏡組（zǔ）檢測 x 軸運（yùn）動部（bù）件( 刀架) 繞 y 偏轉轉角誤差 εy( x) 的現場照片如圖3 所示。誤差源 δx( x) 、εy( x) 與 εz( x) 的檢測結果分（fèn）別如圖 4 ～ 6 所（suǒ）示。依據 GBXXX 所提供的數（shù）據評價方法，定位誤（wù）差 δx( x) 偏轉的定位精度為 0．796 mm，重複定位精（jīng）度為 0．005 mm; 轉角誤差 εy( x) 的（de）精度為 0．019mm / m，重複精度為 0．012 mm / m; 顛轉轉角誤差（chà） εz( x)的精度為 0.282 mm /m，重複精度為 0．013 mm /m。2．2 滑座運動誤差檢測直線度誤差（chà） δx( z) 以及偏轉轉角誤差 εy( z) 采用激光幹涉（shè）儀進行檢測，傾（qīng）轉轉角誤差 εz( z) 由於（yú）旋轉方向繞其軸（zhóu）線，用激光幹涉儀誤差檢測，故采用（yòng）電子（zǐ）水平儀（yí）進行（háng）檢測。z 軸測量行（háng）程為 17 000 mm，每間隔 500mm 測量（liàng）一次，測量點位數目為 35 個。測（cè）量過程中 z軸進給速度為 8 m/min，每個測點停留（liú）時間（jiān）為 5 s，越程量為 5 mm。針對每一項誤（wù）差源，一共往（wǎng）返測量 3次（cì），獲取 6 組誤差數據。

利用激光幹涉儀直線度誤差檢測鏡組檢測 z 軸運動（dòng）部件( 滑座) 沿 x 方向直線度誤差 δx( z) 的現（xiàn）場照片如圖 7 所示。誤差源 δx( z) 、εy( z) 與 εz( z) 的檢測結果（guǒ）分別如圖 8 ～ 10 所（suǒ）示。直線度誤（wù）差 δx( z) 的精（jīng）度為0．054 mm，重複（fù）定位精度為 0．018 mm; 偏（piān）轉轉角誤差εy( z) 的精度為 0．067 mm /m，重複精度為 0.018 mm /m; 傾轉轉角誤差 εz( z) 的精（jīng）度為 0．042 mm /m，重（chóng）複精（jīng）度為 0．007 mm/m。

3 、加工精度預測

重型臥式車床的工作空間為由 x 軸和 z 軸構成的（de）經過主軸旋轉軸線的矩形平麵區（qū）域。依據車床（chuáng）幾何誤差模型式( 3) ，將第 2 節中檢測得到的 6 項幾（jǐ）何誤差源（yuán）數據代入到誤差模型中，即可（kě）預估出刀尖點的 x 向位置誤差（chà）在全（quán）部工（gōng）作（zuò）空間中的變化情況，具體結果如（rú）圖 11 所示。可以看出隨著 x 坐標（biāo）的增大，即刀尖點遠離主軸旋轉軸線，刀尖點誤差 Δ rx呈逐漸增大的趨（qū）勢; 隨著 z 坐標的變化，Δ rx呈（chéng）波浪形變化，無明（míng）顯規律。全工作空間中，Δ rx的平均值為 0．246 mm，最大值為（wéi） 0．479 mm。刀尖（jiān）點 z 向位置誤差Δ rz也可利用（yòng）相同的方法獲得。基於上述結果，我們可以獲取車床運動至工作空間任意一點處的加工誤差，並基於此修正加工（gōng）程序，抵消機床誤差（chà）對加工精度（dù）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（gāo）其加工精度，基於剛體運動學（xué）原理建立了機床幾何誤差模型，得到了各軸線（xiàn）幾何誤差源與加工誤差之間的映射關係，而（ér）後采用激光幹涉（shè）儀、水平儀等測量儀器獲取了機床部分幾（jǐ）何誤差源（yuán）的誤差數據，並（bìng）進而預（yù）估出機床全工作空間內（nèi）的加工誤差變化規律，可用於指導（dǎo）機床的誤差補（bǔ）償等工作，以提高機床的精度（dù）性能。

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