重型臥式車床幾何精度檢測與加工精度預(yù)估
2020-12-16 來源：天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：馬林旭 王麗娜
摘要: 以一臺重型臥式車床為例，基于剛體運動學(xué)原理建立了機(jī)床幾何誤差模型，得到了各軸線幾何誤差源與加工誤差之間的映射關(guān)系，而后采用激光干涉儀、水平儀等測量儀器獲取了機(jī)床部分幾何誤差源的誤差數(shù)據(jù)，并進(jìn)而預(yù)估出機(jī)床全工作空間內(nèi)的加工誤差變化規(guī)律，可用于指導(dǎo)機(jī)床的誤差補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳎蕴岣邫C(jī)床的精度性能。
關(guān)鍵詞: 重型臥式車床; 幾何誤差建模; 誤差檢測; 精度預(yù)估
重型臥式車床廣泛應(yīng)用于能源、石化、船舶、航天等領(lǐng)域，是車削各類大型回轉(zhuǎn)類零件的重要工作母機(jī)，對國防軍工、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義［1］。幾何精度是重型臥式車床的重要性能指標(biāo)之一［2］，影響幾何精度的因素主要包括主軸回轉(zhuǎn)精度以及直線進(jìn)給軸運動精度兩類，而直線進(jìn)給軸運動精度是影響整機(jī)幾何精度的最重要因素。針對重型臥式車床幾何精度檢測，諸多學(xué)者開展了大量的研究工作［3－8］，所采用的測量方法主要包括激光跟蹤儀、激光干涉儀、自準(zhǔn)直儀、水平儀以及步距規(guī)等，然而對于如何利用測量數(shù)據(jù)預(yù)估加工精度，并指導(dǎo)誤差補(bǔ)償以及加工工藝規(guī)劃，尚未有系統(tǒng)性研究。本文以一臺重型臥式車床為例，首先建立機(jī)床幾何誤差模型，并分析不同誤差源對加工精度的影響規(guī)律，之后采用激光干涉儀開展誤差檢測實驗，最后基于檢測數(shù)據(jù)預(yù)估機(jī)床全工作空間內(nèi)的加工誤差。
1、 誤差建模與分析
本文研究對象為一臺 SKODA SＲ5－420 /16m 型號的重型臥式車床，如圖 1 所示。該重型臥式車床主要由主軸箱、卡盤、刀架、尾座、床身與滑座構(gòu)成，刀架進(jìn)給方向為 x 向，滑座進(jìn)給方向為 z 向。機(jī)床最大加工工件直徑為 4 200 mm，最大切削長度為 16 m，最大加工工件質(zhì)量為 250 t。為了描述運動部件刀架及滑座的運動誤差對刀尖點加工誤差的映射關(guān)系，建立如圖 2 所示坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)都芪挥谧鴺?biāo)零點位置時，在其所在導(dǎo)軌面中心點 X0處建立與導(dǎo)軌固定連接的坐標(biāo)系 X0－xyz，并同時在刀架上與 X0點重合的 X 點建立與刀架固定連接的連體坐標(biāo)系 X－xyz。這樣一來，當(dāng)?shù)都苓\動至坐標(biāo) x 處時，坐標(biāo)系原點 X 與 X0之間的 x 方向坐標(biāo)差即為 x。同理，對于滑座所在的 z 軸建立類似的坐標(biāo)系 Z0－xyz 與 Z－xyz。
計刀尖點為點 P，利用剛體運動學(xué)基本原理，當(dāng)?shù)都苓\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 Δr刀架可以表示為：
其中: δx( x) 、δy( x) 、δz( x) 與 εx( x) 、εy( x) 、εz( x) 分別表示刀架運動過程中沿 3 個坐標(biāo)方向的位置誤差與繞這 3 個坐標(biāo)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角誤差，XP→表示由點 X 指向點 P的位置向量，腳標(biāo) x、y、z 表示向量XP→的 3 個分量。同理，當(dāng)滑座運動至坐標(biāo) z 處時，由滑座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：
于是，同時考慮刀架與滑座的影響，刀尖點位置誤差 Δr 可以表示為:
2 、幾何誤差檢測
由上節(jié)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)測的過程中僅需重點關(guān)注與 Δ rx、Δ rz相關(guān)的幾何誤差源。由于對 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 向位置誤差 Δ rx相關(guān)的幾何誤差源進(jìn)行檢測、分析與預(yù)測。下面將采用激光干涉儀以及電子水平儀等手段檢測與 Δ rx相關(guān)的 6 項幾何誤差源。具體檢測方法與檢測結(jié)果如下。
2．1 刀架運動誤差檢測
三項相關(guān)的幾何誤差源均采用激光干涉儀進(jìn)行誤差檢測。x 軸測量行程為 2 000 mm，每間隔 200 mm 測量一次，測量點位數(shù)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。針對每一項誤差源，一共往返測量 3 次，獲取 6 組誤差數(shù)據(jù)。利用激光干涉儀轉(zhuǎn)角誤差檢測鏡組檢測 x 軸運動部件( 刀架) 繞 y 偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角誤差 εy( x) 的現(xiàn)場照片如圖3 所示。誤差源 δx( x) 、εy( x) 與 εz( x) 的檢測結(jié)果分別如圖 4 ～ 6 所示。依據(jù) GBXXX 所提供的數(shù)據(jù)評價方法，定位誤差 δx( x) 偏轉(zhuǎn)的定位精度為 0．796 mm，重復(fù)定位精度為 0．005 mm; 轉(zhuǎn)角誤差 εy( x) 的精度為 0．019mm / m，重復(fù)精度為 0．012 mm / m; 顛轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角誤差 εz( x)的精度為 0.282 mm /m，重復(fù)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(zhuǎn)角誤差 εy( z) 采用激光干涉儀進(jìn)行檢測，傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角誤差 εz( z) 由于旋轉(zhuǎn)方向繞其軸線，用激光干涉儀誤差檢測，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，測量點位數(shù)目為 35 個。測量過程中 z軸進(jìn)給速度為 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，一共往返測量 3次，獲取 6 組誤差數(shù)據(jù)。
利用激光干涉儀直線度誤差檢測鏡組檢測 z 軸運動部件( 滑座) 沿 x 方向直線度誤差 δx( z) 的現(xiàn)場照片如圖 7 所示。誤差源 δx( z) 、εy( z) 與 εz( z) 的檢測結(jié)果分別如圖 8 ～ 10 所示。直線度誤差 δx( z) 的精度為0．054 mm，重復(fù)定位精度為 0．018 mm; 偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角誤差εy( z) 的精度為 0．067 mm /m，重復(fù)精度為 0.018 mm /m; 傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角誤差 εz( z) 的精度為 0．042 mm /m，重復(fù)精度為 0．007 mm/m。
3 、加工精度預(yù)測
重型臥式車床的工作空間為由 x 軸和 z 軸構(gòu)成的經(jīng)過主軸旋轉(zhuǎn)軸線的矩形平面區(qū)域。依據(jù)車床幾何誤差模型式( 3) ，將第 2 節(jié)中檢測得到的 6 項幾何誤差源數(shù)據(jù)代入到誤差模型中，即可預(yù)估出刀尖點的 x 向位置誤差在全部工作空間中的變化情況，具體結(jié)果如圖 11 所示。可以看出隨著 x 坐標(biāo)的增大，即刀尖點遠(yuǎn)離主軸旋轉(zhuǎn)軸線，刀尖點誤差 Δ rx呈逐漸增大的趨勢; 隨著 z 坐標(biāo)的變化，Δ rx呈波浪形變化，無明顯規(guī)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。基于上述結(jié)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，并基于此修正加工程序，抵消機(jī)床誤差對加工精度的不利影響。
4 、結(jié)語
本文以一臺重型臥式車床為例，為了提高其加工精度，基于剛體運動學(xué)原理建立了機(jī)床幾何誤差模型，得到了各軸線幾何誤差源與加工誤差之間的映射關(guān)系，而后采用激光干涉儀、水平儀等測量儀器獲取了機(jī)床部分幾何誤差源的誤差數(shù)據(jù)，并進(jìn)而預(yù)估出機(jī)床全工作空間內(nèi)的加工誤差變化規(guī)律，可用于指導(dǎo)機(jī)床的誤差補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳎蕴岣邫C(jī)床的精度性能。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年6月 新能源汽車銷量情況
- 2025年6月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 軸承出口情況
- 2025年6月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 新能源汽車銷量情況
- 2025年5月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 軸承出口情況
- 2025年5月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 新能源汽車銷量情況
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時代，少談點智造，多談點制造
- 現(xiàn)實面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別