重型臥式車床幾何精度檢測（cè）與加工精度預估
2020-12-16 來源：天津中德應（yīng）用技術大學（xué）機械（xiè）工程學院 作者：馬（mǎ）林旭 王麗（lì）娜
摘要: 以（yǐ）一（yī）台重型（xíng）臥式（shì）車床為例，基於剛體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）加工誤差之間的映射關係，而後采（cǎi）用激（jī）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（wù）差變化規律，可用（yòng）於指導機床的誤差（chà）補償等工作，以提高機床（chuáng）的精度性（xìng）能。
關（guān）鍵詞: 重型臥式車床; 幾何誤差建模; 誤差檢測; 精度（dù）預估
重（chóng）型臥式車床（chuáng）廣泛應用（yòng）於（yú）能源、石化、船舶、航天等領域，是車削各類大型回轉類零件（jiàn）的（de）重要工作母機，對國防軍工、國民經濟發展具（jù）有（yǒu）重要戰略意義［1］。幾何精度是重（chóng）型臥式車床的重要性能指標之一［2］，影響幾何精度的因素（sù）主要包（bāo）括主軸回轉精度以及直線進給軸（zhóu）運動（dòng）精度兩類（lèi），而直線進給（gěi）軸運動（dòng）精（jīng）度是（shì）影響整機幾何精度（dù）的最重要因素。針對重型臥式（shì）車（chē）床幾何精度檢測，諸多（duō）學者開展了大（dà）量的研究（jiū）工作［3－8］，所采用的（de）測量方法主要（yào）包括激（jī）光跟蹤儀、激光幹涉儀、自準直儀、水平（píng）儀（yí）以及步距規等，然而對於（yú）如何利用測量（liàng）數（shù）據預（yù）估加工精度，並指導誤差補償以及加工（gōng）工藝規劃，尚未（wèi）有（yǒu）係統性研究。本文以一台重型臥式車床為例，首先建立機床幾何誤差模（mó）型，並分析不（bú）同誤差源對加工精度的影響規律，之後采用激光幹涉（shè）儀開展誤（wù）差（chà）檢測實驗，最後基於（yú）檢測數據預估機床（chuáng）全工作空間內的加（jiā）工誤差（chà）。
1、 誤差建模與（yǔ）分析
本文研究（jiū）對（duì）象為一台 SKODA SＲ5－420 /16m 型號的重（chóng）型臥式（shì）車床，如圖 1 所示。該重型臥式車床主要由主軸箱、卡盤、刀架、尾座、床身與滑座（zuò）構成，刀架進給方向為 x 向，滑座進給（gěi）方向為（wéi） z 向。機床最大（dà）加工工件直徑為 4 200 mm，最（zuì）大切削長度為 16 m，最大加工工（gōng）件質量為（wéi） 250 t。為了（le）描述（shù）運動部件刀架及滑座的運（yùn）動誤差對刀尖點（diǎn）加工（gōng）誤差的（de）映射關係，建立如圖（tú） 2 所示坐標係統。當刀架位（wèi）於坐標零點（diǎn）位（wèi）置（zhì）時，在（zài）其所在導軌麵中心（xīn）點 X0處建立與導軌固定連接的坐標係 X0－xyz，並同時在刀架上與 X0點重合的 X 點建立與刀架固定連接的連體坐標係 X－xyz。這樣一來，當（dāng）刀架（jià）運動至坐標 x 處（chù）時，坐（zuò）標係原點（diǎn） X 與 X0之間的 x 方（fāng）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。
計刀尖點為（wéi）點 P，利用剛體運動學基本原理，當刀架（jià）運動至坐標 x 處時，由刀架運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（shì）刀（dāo）架運動過程中沿 3 個坐標方向的位置誤差與繞這 3 個坐標回轉的轉角誤差，XP→表示由點 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（tóng）理，當滑（huá）座運動至坐標（biāo） z 處時，由滑座運動誤差引起的刀尖（jiān）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（wéi）:
2 、幾何誤（wù）差檢測
由上節中的分析可知，Δ ry對加工精度的影響可忽略，因而在誤差檢測與加工精度預（yù）測（cè）的過程中僅需重點關注與 Δ rx、Δ rz相關的幾何誤差源。由於對 Δ rx與 Δ rz的研究方法完全一致，本文僅針對與刀尖點 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。下麵將采用激光（guāng）幹涉（shè）儀以及電子水平儀等手段檢測（cè）與 Δ rx相關的 6 項幾何誤差（chà）源。具體檢測方（fāng）法與（yǔ）檢測結果如下。
2．1 刀架運動誤差（chà）檢測（cè）
三項相關的幾何誤（wù）差（chà）源均采用（yòng）激光幹涉儀進行誤差檢測。x 軸測量行程為 2 000 mm，每間隔 200 mm 測量一（yī）次，測量點位數目為 11 個。測量過程中 x 軸進給速度為（wéi）8 m / min，每個測點停留時間為 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（fǎ）。針對每一項誤差源，一共往返（fǎn）測量 3 次，獲取 6 組誤差（chà）數據。利用（yòng）激光幹（gàn）涉儀轉角誤差檢測鏡（jìng）組檢測 x 軸運（yùn）動部件( 刀架) 繞 y 偏（piān）轉（zhuǎn）轉角誤差 εy( x) 的現場照片如圖3 所示（shì）。誤差（chà）源 δx( x) 、εy( x) 與 εz( x) 的檢測結果分別如圖 4 ～ 6 所示。依據（jù） GBXXX 所提供的數據評價方法（fǎ），定位（wèi）誤差 δx( x) 偏（piān）轉的定（dìng）位（wèi）精度為 0．796 mm，重（chóng）複定位精度為 0．005 mm; 轉角誤差 εy( x) 的精度為 0．019mm / m，重複精度為 0．012 mm / m; 顛轉轉角誤差 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 δx( z) 以及偏轉（zhuǎn）轉角誤差 εy( z) 采用激光幹涉（shè）儀（yí）進行（háng）檢測，傾轉轉角誤差 εz( z) 由於旋轉方向繞其軸線，用激光幹涉儀誤差檢測，故采用電子水平儀進行檢測。z 軸測量行程為 17 000 mm，每間隔 500mm 測量一次，測量點位數目為（wéi） 35 個。測量過（guò）程中 z軸進給速度為 8 m/min，每個測點（diǎn）停留時間為 5 s，越程量（liàng）為 5 mm。針（zhēn）對每一（yī）項誤（wù）差源，一共往返測量 3次，獲取（qǔ） 6 組誤差數據。
利（lì）用激光幹涉儀（yí）直線度誤差檢測鏡組檢測 z 軸運動部件( 滑座) 沿 x 方向直（zhí）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（de）檢測結果分（fèn）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（piān）轉轉角誤差εy( z) 的（de）精度為 0．067 mm /m，重複精度為（wéi） 0.018 mm /m; 傾（qīng）轉轉角誤差 εz( z) 的精度為 0．042 mm /m，重複精度為 0．007 mm/m。
3 、加（jiā）工精度預測（cè）
重型臥式車床的工作空間為（wéi）由 x 軸和 z 軸構成（chéng）的經過主（zhǔ）軸旋轉軸線的矩（jǔ）形平麵區域。依據車床幾何誤差模型式( 3) ，將第 2 節中檢測得到的 6 項幾何（hé）誤差源（yuán）數據代入（rù）到誤差模型中，即可（kě）預估出刀尖點的 x 向位置誤差在全部工作空間中的（de）變（biàn）化情況，具體結果如圖 11 所示（shì）。可（kě）以（yǐ）看出隨著 x 坐標的增大，即刀尖點遠離主軸旋轉軸線，刀尖點誤差 Δ rx呈逐漸增大的趨勢; 隨著 z 坐標的變化，Δ rx呈波浪形變化，無明顯規律。全工作空間中，Δ rx的平均值為 0．246 mm，最大值為 0．479 mm。刀尖點 z 向位置誤差Δ rz也可利用相同的方法獲得。基於上述結果，我們可以獲取車床運動至工作空（kōng）間任意一點處的加（jiā）工誤差，並基於此修正加工程序，抵消機床誤差對加工精度的不利影響。
4 、結語（yǔ）
本文以一台重型臥式車床為（wéi）例，為（wéi）了提高其加工精度，基於剛體運動學（xué）原理建立了機床幾（jǐ）何（hé）誤差模型，得到了各軸線幾何誤差源與加工誤差之間的映射關係，而後采用激光（guāng）幹涉儀（yí）、水平儀等測量儀器獲取了（le）機床部分幾何誤差源的誤差數據，並進而預估出機床（chuáng）全工作空間內的加工（gōng）誤差變化規律，可用於指（zhǐ）導機床的誤差補（bǔ）償等工（gōng）作，以提高機床的精度性能。
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