加工中心幾何精度的研究 - 加工中心
加工中心幾何精度的研究 加工中心，作為排除了加工時人的具體干預的自動機床，它的幾何精度檢驗必須真實地反映其工作區內形成工件輪廓表面的刀尖點相對工件運動軌跡的規律性要求，因此，其檢驗的重點，應該是影響工件加工的形位精度。本文就內容改動較大的ISO/DIS10791中的幾何精度檢驗部分行將貫徹之際，對照目前正在執行的JB/GQ1140-89加工中心部頒標準，發表一孔之見，探討加工中心幾何精度檢驗的合理性。 1 揭示部件運動直線度的兩類誤差運動部件沿各坐標軸運動的直線度，不僅直接影響工件的形狀精度，還間接影響工件的位置精度(通過部件運動的平行度、垂直度等)和尺寸精度(通過部件運動的定位精度)，故它是加工中心幾何精度檢驗的重點和基礎。 眾所周知，部件的直線運動總是包含著六個誤差因素：運動部件上任一有代表性的點(如刀尖點、工件中心點或工作臺中心點等)在運動方向上的一個位置誤差，兩個該點軌跡的線誤差和三個該點軌跡的角度誤差(圖1)。當僅考查部件沿X軸運動的直線度時，則排除位置誤差EXX這個因素，應該檢測點沿Y軸(在XY平面內)和Z軸(在XZ平面內)方向平動的線值誤差EXY、EXZ以及點繞X軸傾斜，繞Y軸擺動和繞Z軸起伏的旋轉角值誤差EAX、EBX和ECX這五項誤差的全部，缺一不可(應當指出，由于阿貝誤差的影響，運動部件上不同的點受所測得角值直線度誤差的影響程度是不同的)，這是因為角值誤差和線值誤差是兩類性質完全不同的直線度誤差。具體表現在：(1)它們的形成機理完全不同，線值誤差是運行中運動部件平移導致的，角值誤差則是運動部件在運行中旋轉造成的。(2)兩類誤差從理論上講不能直接相互換算，不能用一類誤差補償另一類誤差(當然，角度很小時，用線值誤差近似表示角值誤差的對應弧值是允許的)。(3)線值誤差用偏離理想直線的長度值計，角值誤差則是偏離原位的繞軸線的轉角值，以比值、微角或微弧計。(4)線值誤差只能用線值檢測器具(平尺和千分表，鋼絲和顯微鏡，準直望遠鏡或激光干涉儀等)檢驗，角值誤差必須用角度檢具(水平儀、自準直儀、激光干涉儀等)才能檢出。因此，少檢這五項誤差中的任何一項，都會造成直線誤差的漏檢。例如，只用千分表和平尺檢工作臺沿X軸移動的直線度(圖2)，不論在水平面還是垂直面內，都會出現圖示那種運動實際不平直而千分表讀數卻始終不變(示平直)的情況，漏檢了角值誤差。同樣，單用水平儀或自準直儀檢工作臺沿X軸移動的直線度時，也會在水平面或垂直面內檢不出圖3所示那樣的的平移直線度誤差。 圖1 臥式加工中心直移部件運動誤差示意圖 圖2 工作臺直移的轉角誤差 圖3 工作臺直移的平移誤差 2 加工中心新、舊幾何精度標準相關檢驗項的評析JB/GQ1140—89加工中心精度標準 運動直線度檢驗 在JB/GQ1140-89標準中，對各坐標軸線運動直線度的檢驗，有明顯的漏檢現象。例如工作臺沿X軸移動的直線度，只通過序號G2的a和b兩項，檢測了它沿Z軸(水平面內)和Y軸(垂直面內)平移的兩個線值直線度誤差，又通過序號G3檢測了它繞X軸傾斜的角值直線度誤差，而漏檢了它繞Y軸的擺動和繞Z軸的起伏兩項角值直線度誤差，因此檢驗合格的機床仍可能是不合格的。這里應當指出，G3檢項稱作移動的平行度不符合ISO230-1∶1996中平行度的定義，顯然是概念不清或名不符實。同理，Z軸方向同X軸方向相似，只檢了兩個線值和繞Z軸傾斜角值的直線度誤差，漏檢了繞X軸的起伏和繞Y軸的擺動兩項角值直線度誤差。而Y軸方向則只檢了兩個線值直線度誤差，角值直線度誤差全部漏檢。此外，根本未列項檢驗主軸及滑枕(有此結構時)沿軸線移動的直線度誤差。 運動的平行度和垂直度檢驗 在JB/GQ1140-89標準中，對有關運動平行度的檢驗，只檢了主軸軸線對Z軸運動的平行度和X軸運動對工作臺T形槽或棱邊的平行度，而嚴重影響加工精度的主軸及滑枕沿其軸線運動對Z軸運動的平行度以及X軸運動或Z軸運動對工作臺面的平行度等卻未列項檢驗。對有關運動垂直度的檢驗，也只檢了垂直坐標軸對工作臺面的垂直度，未檢X軸運動對Y軸運動和Z軸運動的垂直度。這樣一些相互運動的位置精度不檢，呈模糊狀態，未真實反映機床的幾何精度，顯然不合理，不科學。 G11所檢靜態的主軸軸線與工作臺面的平行度(臥式)或垂直度(立式)，實用意義不大，而G19靜態的工作臺T形槽直線度的檢測，更可取消，因這是工作臺零件的檢項。ISO/DIS10791國際標準幾何精度檢驗部分 運動直線度檢驗 在ISO/DIS10791標準中，對X、Y和Z三個坐標軸運動直線度誤差的檢測，都是按分別檢測二個線位移誤差和三個角位移誤差的方法進行的，完全符合前述直線度的合理檢驗方法。這里應著重指出的是，Y軸運動直線度中繞Y軸傾斜分量的檢法，因水平儀無法放置，不能用；而自準直儀需把反射鏡放在主軸箱上，又無法保證自準直儀與反射鏡的同步直移精度，也不宜用。故如圖4所示，它是借助于線值檢具千分表和圓角尺，在工作臺相距d長的兩個位置上，均沿Y軸移動千分表，并于圓角尺同一側母線的5個等距點分別讀數，計算每個測量高度工作臺兩位置讀數的差值，可求得 (******差值—最小差值)/d=tand≈d式中 d——繞Y軸傾斜角誤差 同時也列項檢驗了主軸和滑枕沿其軸線移動直線度。 運動的平行度和垂直度檢驗 ISO/DIS10791標準(草案)，規定了各相關運動部件間的平行度和垂直度的檢驗。既有工作臺面與主軸軸線各自對相關坐標軸運動的平行度和垂直度，也有主軸與主軸滑枕沿軸線運動對Z軸運動的平行度以及各坐標軸運動間的垂直度。這些檢驗表明，新標準強調的是加工中心在各部件運動狀態下幾何精度的全面檢驗，而未檢靜止狀態的幾何精度，這就直接反映了工作臺面、主軸軸線與坐標軸線間在實際工作時的位置關系，也表明了直接影響工件形位精度的，坐標聯動時坐標軸間的位置精度，因此是合理的。用新標準取代舊標準，無疑有利于機床質量的提高，勢在必行。3 對新標準(草案)幾點商榷直線度是平行度和垂直度測量的基礎，筆者認為在檢驗兩直線平行或垂直時應把直線度誤差考慮進去，由此，新標準的下述內容值得商榷。 ISO/DIS10791標準對于Z與Y、Y與X及X與Z任意兩運動軸線垂直度的檢驗，均按兩軌跡互相正交的檢法，先使角尺的一邊精確平行于部件上一點沿其中一個坐標軸運動的軌跡Ⅰ，再測該點沿另一坐標軸運動的軌跡Ⅱ對角尺另一懸邊的平行度，使若干點的等距誤差在允差之內(垂直度的測量實質是平行度的測量)。按此檢法： 必須規定軌跡Ⅰ運動部件在支撐導軌上的確定位置，而新標準中無此要求，這將存在部分誤差的漏檢現象，導致檢驗結果的異議。現以工作臺沿X軸運動，主軸箱沿Y軸運動的垂直度檢驗為例(圖5)，分析如下： 在工作臺沿X軸運動的全程內，軌跡Ⅰ肯定有包括XY平面中沿Y軸平移和繞Z軸起伏角誤差在內的直線度誤差，調整置于工作臺上平尺與軌跡Ⅰ精確平行，也只能是軌跡兩端或有限點等距。軌跡Ⅰ的直線度誤差，尤其是繞Z軸起伏角誤差的直線度誤差分量，必將導致工作臺處于行程內不同位置時，臺面與理想X軸線的夾角各異，直接影響X軸與Y軸運動的垂直度誤差讀數。可見，不考慮工作臺運動的直線度，將導致由此引起的這部分誤差漏檢，而考慮X軸運動直線度的影響，就必須規定檢測Y軸運動對角尺另一懸邊平行時工作臺的合理確定位置，否則可能有此類更大誤差漏檢。 如果機床的Z軸運動是立柱沿Z向床身直線移動的布局形式(圖5)，則X軸與Y軸運動的垂直度檢驗還應規定，檢測軌跡Ⅱ與角尺另一懸邊平行時，立柱在Z向床身導軌上的確定位置。因為給予主軸箱沿Y軸運動導向的立柱，需完成沿Z軸的直線運動，運動中繞Z軸旋轉的直線度角誤差分量將使立柱傾斜，導致主軸箱沿一條偏離理想Y軸線的斜線運動，從而產生Y軸與X軸運動的垂直度誤差。顯然，立柱定位在Z向的不同位置，立柱的傾角也是不同的。 圖4 Y軸運動直線度之Y軸傾斜角誤差檢驗圖 a、b、c——三種數值大小相等但形式不同的直線度誤差dZs，其中 dZsa=dZsb=dZscⅠ、Ⅱ、Ⅲ——三種方向與數值不同的平行度誤差dZp,其中dZp1=0,dZp2和dZp3的誤差大小相等方向相反。圖6 運動的直線度和平行度誤差的合成 圖5 X軸與Y軸運動垂直度檢驗的示意圖 基于同樣道理，ISO/DIS10791標準在檢驗主軸軸線與Z軸運動的平行度時，未考慮Y軸運動直線度誤差的影響，未規定主軸箱在立柱上的確定高度。分別檢驗工作臺面上排直定位孔基準和工作臺側定位基準對Z軸運動的平行度時，未考慮X軸運動在XZ平面內繞Y軸擺動直線度角誤差分量的影響，未規定工作臺在X方向的確定位置。它們都將導致檢驗結果的不確定性，最終難以貫徹實施。 對沿一個坐標軸運動的部件，被沿另一坐標軸運動的部件導向的機床布局，如圖1中沿X軸運動的工作臺被沿Z軸在床身上運動的滑座導向的布局情況，還存在著工作臺運動的直線度受到滑座運動直線度影響的兩部分誤差合成的問題。因為滑座運動的繞Y軸擺動的這項直線度角誤差分量，將使滑座傾斜，導致滑座上原本平行于理想X軸的工作臺運動導軌，產生了平行度誤差，從而導致最終工作臺運動直線度誤差的增大。圖6所示為工作臺在X向全行程L內，差值相同的a、b、c三種型式直線度誤差dZs，受到滑座在Z向三個位置的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種不同傾斜角影響，附加產生工作臺運動的平行度誤差dZp時，工作臺合成誤差dZs+p的變化情形。可以看出，滑座沿Z軸運動的直線度對工作臺沿X軸運動的直線度的影響很顯著，是不能忽視的，ISO/DIS10971標準未考慮這個影響因素，顯然會直接影響它的準確與合理。