重型臥式車床幾何精度檢測與加工精度預估
2020-12-16 來源（yuán）：天津中德應用技術大學機械工程學院 作者：馬林旭（xù） 王（wáng）麗娜
摘要: 以一台重型臥式車床為例，基於剛體運動學原理（lǐ）建立了機床（chuáng）幾何誤（wù）差模型，得到了各軸線（xiàn）幾何誤差源與加工誤差之間（jiān）的映射關係，而後采用激光（guāng）幹涉儀、水平儀等測量儀器獲取了機床（chuáng）部（bù）分幾何誤（wù）差源的誤差數據，並（bìng）進而預估出機床（chuáng）全工作空（kōng）間內的加工誤差變化規律（lǜ），可用於指（zhǐ）導機床的誤差補償等工作，以提高機床的精度性能。
關鍵詞: 重型（xíng）臥式（shì）車床; 幾何誤差建模; 誤差檢測; 精度預估
重型臥式車床廣泛應用於能源、石化、船（chuán）舶、航天等領（lǐng）域（yù），是車削各（gè）類大型回轉類零件的重要工作母（mǔ）機，對國防軍工、國民經濟發（fā）展具有重要戰略意義［1］。幾何精（jīng）度是重型臥式車床的重要性能指標之一（yī）［2］，影響幾何（hé）精度的因素主（zhǔ）要包（bāo）括主軸回轉精度以及直線（xiàn）進給軸運動精度兩類，而（ér）直線進給軸運動精度是影響整機（jī）幾何精（jīng）度的最重要因素。針對重型臥式車床幾何（hé）精度檢測，諸多（duō）學者開（kāi）展了大量（liàng）的（de）研究（jiū）工作［3－8］，所采用的測量方（fāng）法主要包括激光跟蹤儀、激光幹涉儀、自準直儀、水平儀以及步距規等，然而對於如何利（lì）用測量數據預估加工精度，並指導誤差補償（cháng）以及加工工藝規劃，尚未有係統性研究。本文以一台（tái）重型（xíng）臥式車床為例，首先建立機床（chuáng）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開展誤差檢測實驗，最後基於檢測數據預估機床全工作空（kōng）間內的加工誤差。
1、 誤差建模與分析
本文研究對象為一台（tái） SKODA SＲ5－420 /16m 型號的重型臥（wò）式車床，如圖 1 所示。該重型臥式車床主要由主（zhǔ）軸箱、卡（kǎ）盤、刀架、尾（wěi）座、床（chuáng）身與滑座構成，刀架進給方向為 x 向，滑座進給方向為 z 向。機床最大加工工（gōng）件直（zhí）徑為 4 200 mm，最大切削長度為 16 m，最大加工工件（jiàn）質量為 250 t。為了描述運動部件（jiàn）刀（dāo）架及滑座（zuò）的運動誤差對刀尖點加工誤差的映射關係，建立如圖（tú） 2 所（suǒ）示坐標係統。當刀架位於坐標零（líng）點位置時，在其所在（zài）導軌麵中心點 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（dìng）連接的連體坐標係 X－xyz。這樣一來（lái），當刀架運（yùn）動至坐標 x 處時，坐標係原點 X 與 X0之間的 x 方向（xiàng）坐標差即為 x。同理（lǐ），對於滑座所在的 z 軸建立類似的坐標係 Z0－xyz 與 Z－xyz。
計刀（dāo）尖點（diǎn）為點 P，利用剛體運動學基本原（yuán）理，當刀架運動至坐標 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（fèn）別（bié）表示刀架運（yùn）動過程中沿（yán） 3 個坐標（biāo）方向的位（wèi）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（xiàng）量XP→的 3 個分量。同理，當滑座運動至坐標 z 處時，由滑座運動誤差引起的刀尖點空（kōng）間（jiān）位置誤差（chà） Δ r滑座可以表示為：
於是，同（tóng）時考（kǎo）慮刀架（jià）與滑座的影響，刀尖點位（wèi）置誤差 Δr 可以表示為:
2 、幾何（hé）誤差檢測
由上節中的分析可知，Δ ry對（duì）加工精（jīng）度的影響可忽（hū）略，因而（ér）在誤差（chà）檢測（cè）與加工精度預（yù）測的過程中僅需（xū）重點關注與 Δ rx、Δ rz相關的幾何誤差源（yuán）。由於對 Δ rx與 Δ rz的（de）研（yán）究方法（fǎ）完全一致（zhì），本文僅針對與刀尖點 P的 x 向位置誤差 Δ rx相關（guān）的幾何誤差（chà）源進行檢測、分（fèn）析與預（yù）測（cè）。下麵將采用（yòng）激光幹涉儀以及電子（zǐ）水平儀等手段檢（jiǎn）測（cè）與 Δ rx相關的 6 項（xiàng）幾何誤差源。具體檢測方法與檢測結果如下。
2．1 刀架（jià）運動（dòng）誤（wù）差檢測
三項相關的幾（jǐ）何誤差源均采用激光幹涉儀進行誤差檢測。x 軸（zhóu）測量行程為 2 000 mm，每間隔 200 mm 測量一次，測量（liàng）點位數目為 11 個。測量（liàng）過程中 x 軸進給速度為8 m / min，每個測點停留時間為 5 s，越程量（liàng）為 5 mm，具體測量流程參照（zhào） GBT 16462．7－2009 中所述方法。針對每一項誤（wù）差源，一共往返（fǎn）測量 3 次，獲取 6 組（zǔ）誤差（chà）數據。利用激光幹涉儀轉角誤差檢測鏡（jìng）組檢測 x 軸運動部件( 刀架) 繞（rào） y 偏轉轉角誤差 εy( x) 的現場照（zhào）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 4 ～ 6 所示。依據 GBXXX 所提供的數（shù）據評價方法，定位誤差（chà） δx( x) 偏轉的定位精度為（wéi） 0．796 mm，重複定位精度為 0．005 mm; 轉角誤（wù）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（chà） εz( x)的精度為 0.282 mm /m，重複精度為（wéi） 0．013 mm /m。2．2 滑座運（yùn）動誤差檢測直線度誤差 δx( z) 以及偏轉轉（zhuǎn）角（jiǎo）誤差 εy( z) 采用激光幹涉儀進行檢測（cè），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（jìn）行檢測。z 軸測量行程為 17 000 mm，每間隔 500mm 測量一次，測量點（diǎn）位數目為 35 個（gè）。測量過程中 z軸進給速（sù）度為 8 m/min，每個測點停留時間為 5 s，越程量為 5 mm。針對每一項誤差源，一共往返（fǎn）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（cè）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（bié）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) 的精度（dù）為 0．042 mm /m，重複精度為 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 軸構成的經過主軸旋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 節中檢測得到的 6 項幾何誤差源數據代入到誤差模型中，即可預估出刀尖點的 x 向位置誤差（chà）在全部（bù）工作空間中的變（biàn）化情況，具體結果如圖 11 所示。可以看出隨著 x 坐標的（de）增大，即刀尖點（diǎn）遠離主軸旋轉軸線，刀尖點誤差 Δ rx呈逐漸增（zēng）大的趨（qū）勢; 隨著 z 坐標的變化，Δ rx呈波浪形變化，無明顯規律（lǜ）。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（gōng）作空間任意一點（diǎn）處的加工誤差（chà），並基於此修正加工程序，抵消機床（chuáng）誤差對加工精度的不（bú）利影響。
4 、結語
本文以一台（tái）重型臥式車床為例，為了提高其（qí）加工精度，基於剛體運動學（xué）原（yuán）理建立了機床幾何誤差（chà）模型，得到（dào）了各軸線幾何誤差源與加工（gōng）誤差之（zhī）間的映射關係，而後采用激（jī）光幹涉儀、水平儀等測量（liàng）儀器獲取了機床部分幾何（hé）誤（wù）差源的誤差數據，並進而預估出機床全工作空間內的加工（gōng）誤差變化規律，可用於指導機床的誤差補償（cháng）等工作，以提高機床的（de）精度性能。
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