（机械工程专业论文）卧式数控车床几何精度校准及诊断的技术研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 机床是加工机械零件的工作母机，机床工业为国民经济各部门提供装备，是实现国 民经济和社会发展的基础，是国防军工现代化建设的保证，因此机床工业关系国家经济 命脉和安全，它是落实科技兴国方针、实现高新技术产业化的重要手段，具有重要的战 略地位。 随着数控加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，我国数控机床制造水平 正在逐步赶超世界先进水平，数控机床几何精度校准就显得尤为重要。对如何解决机床 在装配中出现的定位误差、重复定位误差、反向间隙、伺服不匹配、垂直度、爬行等精 度超差，查找产生问题的原因，对数控机床提出了更高的要求数控机床的几何精度误差 是影响数控机床加工精度、产生加工精度的主要因素。因此，对数控机床精度进行快速 的校准，诊断数控车床在装配中出现的质量问题，并采取先进的误差补偿措施，是保证 加工质量的有效途径。 本文基于上述思想，以i s o 国际标准以及国家标准数控机床和车削中心检验条件 第一部分：卧式机床几何精度检验为依据，通过利用当今世界比较先进的双频激光检 测仪、球秆仪以及各种测量系统补偿技术的软件开发，结合我厂数控车床的实际情况， 研究一套切实可行的数控车床校准与诊断的方法，对数控机床进行精度补偿，达到数控 机床的精度得到显著提高的目的，缩短与国外检测水平的差距，使校准及诊断后的数控 车床的出厂精度接近或达到世界同类产品水平。 关键词；几何精度，校准，诊断，补偿 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 s t u d yo na d j u s 衄e n t a la n dd i a 萨o s t i ct e c h n 0 1 0 9 y f o rt h e g e o m e t r i c a la c c i l m c yo fc n ch o r i z o n t a ll a m e a b s t r a c t t h em a c h i n ei saw o r l d n gm s 衙t h a t l a c l l i n e sm c l l i 丑c r yp a r t s m a c h i n ei n d u s t r y p r o v i d 骼v a r i o u se q u i p m e n t sw i t l le a c h6 e l df ( rn a 幽n a le c o n o m y ni saf o u n d a t i o no f d e v c l o p m e n to f a l 协gt h en a t i o m le c o n o m ya n ds o c i e t ) ，锄d a l s oi sam o d e m i z i n g 0 0 n s t m c i i v eg i m m n t e eo fn a 廿o ld e f e n a n dw a ri l l d 璐n y ，m e r c f o r e ，t h em a c l l i n ei n d u s 仃y r c l a t c st ot h ee c o n o l n i cl i f e l i i l ea n ds a f e t yo fac o u n 仃y 锄di ti sa ni m p o r t a n tm e a n so fp u 仕i n g i n t 0 啦c to fp o l i c y “s c i e n c e & t e c h l o 盱m a k cac 0 彻叼s 仰昭柚dr e a l i z i n gl l i g ha n d n e w 蛔幽n i q u ei n d 璐晒a l i z a 6 f 0 rt h i sf e a n ，t h em a c i l i l l ei n d l l s 仕yh 够锄i m p o r t 锄c e0 f s 仃a t c g yp o s i o n m a c h i n i n gl e v e lo fc n c m a c l l i m so f 伽rc o u n 仃yi so v e n a k i n gt h ea d v a n c i n gl e v e lo f t l l ew o f l dw i t hq u i c kd e v e l o p m 朋tp m c e s s i l 唱t e c h n o l o g yo fc n ca n dc o n 虹n u o u si n c 他嬲i n g o fm a c l l i n i n ga c c u r a c yo fp a r t s ，t l l 惦，a d j 砸恤e n to fg e o m e 仃ya o 叫a c yi s 掣e a u yi i n p o r t a n t s o m ea c c i l f a c yo v e re 玎。培，f o re x a m p l e ，h o wt 0s o l v et h ep o s m o n i n ge 仃o r ，r c l ，c a tp o s i t i i n g c 玎o r ，雎v e 玛ec l e a r a n c c ，tm a t c h j n gs e r v l d ，v c r t i c a l i t y c r c e p i n g ，e t c w h i c ho c c u rd u r i n gt l l c p c r i o do f 龉s e m b l yo ft h em a c h i n e sa n dh d wt o 石n dt h ec a u d r a w i n gt l l ep m b l e m s m e n t i 伽c da b o v eg i v eh i g h e r _ c q u e s 忸t 0a 屺m a c h i l l e s 1 1 l eg c o m e 雠ca c c u r a c ye n d r s 撒 n 坷o r 自c 自。侣t oa 缸c tn l cm a c h i n i n ga c c u r a c yo fc n cm a c b i n e s ，t l l e r e f o 咒，r a p i da d j u s 血g t h ea c c l l r a c yo fc n cm a c l l i n e sa n de x a c td i a g n o s i n gt h eq u a l i 哆p r o b l e md f a w n 劬mt i l e a s s e m b l i n go fc n cm a 曲e s 鹤w e u a st a l 【i n ga d v a n c c de r r o rc o m p e 璐a t i o nm e a s ”r c sa r e e f f b c t i v ew a yf o re 璐u 血gm a c h i n i n gq u a l i 哆 0 n m eb a s i so fi d e a lm e n 曲n e da b o v e 柚dt a l 【i n gc o n c c m e di n t e m a t i o n a ls t a n d a r di s 0 柚dt h ep a r t1 ：n u 旺m c a ii ，yc o n t r o ije dt u r n i n g 嫩n e sa n d t u r n i n gc e n ，i e r r e s t0 ft 日ea c c u r a c y 0 fg bs t a n d a r do f1 1 l ep e o p l e s r c p u b h c “a l i n a ，t h ep a p e rs t l l d i e s 肌d 咖sa to ff e a s i b l ea d j u s t i n g 孤dd i a 驴o s t i c 眦t h o d st 0c o m p c n s a t ea c c u r a c yo fa 叮cm a c l l i n e st oo b t a i l lp u r l ，0 s et 0i l l c r e a s ea c c l l r a c yo f i i 沈阳工业大学硕士学位论文 q 呵cm a c h i n 鼯a n ds h o r t e n 圮d i 伍 r e n c eo fm e a s u r i n gl e v e l 蠲c o m p a r e d1 ) l r i t ht h eo t h e r c o u n 埘e st om a l 【et h ea c c u f a c i e so fc n cl a t h e st h a t 缸ea d j u s t e da dd i a g n o s e d ，b ym e a 船o f m o r ca d 、r a n c c dl 船e ri 璐仃i l m e n tw i t hd o u b l e f r e q u e i l c y ，b a p o l et i l ei 璐饥l m e n t 柚d d e v e l o p m 曲ts o f t w a 佗o fc o m p e 璐a t i t e c l l n i q u eo fv 盯i o 憾m e a s 谢n gs y s t c i 璐a n d c o m b i n c dw i mt h ea 咖“c o n d i 如n so fc n cl a t h e so fs m l l ，a p p r o a c ho r b eu pt ot h el e v e l o f m es a m e1 【i n do r o d 山：t s o f t h e 、 ，o r l d k e yw o r d s ：g m e t r i ca o c m a c y ，a d j u s t m 蚰t ，d j a 驴o s e ，m p e n 蛐t i o n i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 我国机床工业经过十个五年计划的发展，已经形成了门类比较齐全的机床工具行 业，为国民经济建设和国防建设提供了大量基础工艺装备，为我国现代化建设做出了重 要贡献。机床是制造一切机械的工作母机，机床工业为国民经济各部门提供装备，是实 现国民经济和社会发展的基础，是国防军工现代化建设的保证。机床工业产业虽小，但 关系国家经济命脉和安全，是落实科技兴国方针、实现高新技术产业化的重要手段，具 有重要的战略地位。随着数控机床的不断发展，我们国家数控机床制造水平正在逐步缩 小与世界先进水平的差距，数控机床几何精度校准就显得越来越重要【l2 l 。对如何解决 数控机床在装配中出现的各项工作精度超差，查找问题困难等诸多因素，如何解决机床 在装配中出现的定位误差、重复定位误差、反向间隙、反向越冲、伺服不匹配、垂直度、 爬行等精度超差。查找问题困难等诸多因素，特别是几何误差和由控制器伺服驱动系统 带来的精度不准的问题p 一，对机床的整体精度影响很大。因此，如何提高装配水平装配 速度，对数控机床精度进行快速的校准，诊断车床在装配中出现的质量问题，是车床行 业所面临的一个重要课题 面对不断发展的数控机床，要求校准与诊断的技术水平也不断的提高，卧式数控车 床几何精度校准及诊断的技术研究要以i s o 国际标准化以及国家标准数控车床和车 削中心检验条件第一部分：卧式车床几何精度检验为标准，用当今世界比较先进的双 频激光检测仪、球杆仪以及各种系统补偿技术的软件的开发，结合我国数控车床的实际 情况，研究一套比较可行的数控车床校准与诊断的方法，投入数控车床的生产中去，使 校准及诊断后的数控车床的几何精度接近或达到世界同类产品水平。 1 2 国内外技术发展动态 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控车床的柔性和通用性提 出了更高的要求【5 ，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低成本地构筑面向用 户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一代数控系统具有方 便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近1 0 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很 快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系 统大致可分为以下4 种类型。 1 2 1 传统数控系统 如f a n u c0 系统、m n s u b i s m 5 0 系统、s i e m e 璐8 1 0 系统等。这是一种专用 的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工 具( 如s i e m e 姗的w s 8 0 0 a ) 耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必 须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体 系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，己逐渐减小。 1 2 2 “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统 如e a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控 系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计 算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开放性，但由于它的 n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控 系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 1 2 3 “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡+ p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作 为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独 使用。它开放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因 而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m 越【a k 公司用三菱 电机的m e u ) a s m a g i c6 4 构造的m 越勰o l6 4 0c n c 等。 1 2 4s o f t 型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的 c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标 准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序 一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功 沈阳工业大学硕士学位论文 能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，s 0 f t 型开放式数控系 统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p 0 w e ra u 协m a d o n 公司的e a 8 0 0 0n t 等。 我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”到现在“十五”的近2 5 年的 发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初 步形成了自己的数控产业。“八五”攻关开发的成果：华中i 号、中华i 号、航天i 号 和蓝天i 号4 种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。具有中国特色的经 济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的改观。产品的性能和可靠性有了较大的 提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。如上海开通数控有限公司的k t 系列 数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的k n d 系列数控系统、广州 数控设备厂的g s k 系列数控系统等。这些产品的共同特点是数控功能较齐全，价格低， 可靠性较好。中国若大的经济型数控车床的市场，吸引了国外厂商。近几年，s i e m e n s 公司推出8 0 2 s 数控系统，大连大森公司用o e m 方式引进了日本0 h m 公司的0 n c2 1 0 z 数控系统。尽管这些系统的技术性能一般，但由于其产品质量可靠加上品牌和庞大的宣 传销售网络，打开了销路，赢得了市场。 1 3 本文选题的意义 面对迅猛发展的数控技术，要求校准与诊断的技术水平也要不断的提高，本论文卧 式数控车床几何精度校准及诊断的技术研究，其目的就是努力在数控车床校准及精度 诊断上有所创新，对数控车床几何精度的诊断上要达到国内领先水平，为我国提高数控 车床的产品质量、加快数控车床的产业化，做出应有的贡献。 当今世界，美德日代表美、欧、亚三洲车床生产强国，竞争异常激烈。在人才、装 备、管理上实力强大。研究分析其发展经验教训，美国车床生产重在高精尖，偏重于基 础研究，近期有下降现象。日本车床生产，着重发展中高档q 犯车床，偏重于应用技 术科研，在世界经济景气时，外需旺盛，其车床工业十分兴旺发达，但内需较少，在世 界经济低迷时，其车床生产出现艰难的困境。而德国，一贯持久坚持：政府重视车床工 业发展，基础与应用技术科研并重，始终不渝坚持“以人为本”，对国内外需求并重加 强科研，不断创新，车床出口遍及世界各地，发展平稳，当今欧洲车床工业实力最强， 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 德国起到了核心作用。国内c n c 车床的技术水平与国外存在差距主要为：在精度、效 率、自动化上存在一定差距；主机设计基本功差，缺乏创新，模块化设计少；重要基础 元部件、c n c 系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验、检测手段 较落后。 随着科学技术的不断发展，要求数控车床的加工精度也越来越高( 7 】。如何快速、准 确的测量、校准几何精度的误差，克服由于零件制造而带来的综合误差，使车床达到标 准规定的要求，发达国家至少1 0 年以前就已经应用先进的双频激光、球杆仪等仪器， 对数控车床几何精度进行校准和诊断，同时还可以进行角度测量。而我国数控车床和 车削中心检验条件第一部分：卧式车床几何精度检验标准还未正式推广，一些先进的 检测技术还在研究和局部应用，与发达国家相比至少落后l o 年。由此可见，这一关键 检测技术，对于我国发展数控技术，提高数控车床的市场占有率，具有极其重要的意义。 1 4 本文研究的重点 卧式数控车床几何精度校准及诊断的技术研究要以i s 0 国际标准化以及国家标 准数控车床和车削中心检验条件第一部分：卧式车床几何精度检验为标准，用当今 世界比较先进的双频激光检测仪、球杆仪以及各种系统补偿技术的软件的开发，结合我 国数控车床的实际情况，研究一套比较可行的数控车床校准与诊断的方法，投入车床的 生产中去，使校准及诊断后的数控车床的几何精度接近或达到世界同类产品水平。 一4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 卧式数控车床简介 2 1 卧式数控车床概述 本文是以c h 6 1 4 5 车削中心为试验产品。 c h 6 1 4 5 车削中心是在消化吸收日本马扎克数控车床技术的基础上，并集我厂多年 生产数控车床的技术和经验f 8 一，顺应市场需求而设计、生产的优秀产品。 该车削中心能实现x 、z 、c 三轴联动，用于加工各种轴类、盘类零件，可以车削 各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面，能够满足黑色金属及有色金属高速切削的 速度需求。具有钻孔、攻丝和铣削功能，设计中对主轴、床身、床鞍、尾座等部件的刚 度进行合理分配，大大提高了整机的刚性，确保了高速运转、重切时的稳定性，因而本 车床不仅加工精度可达到l t 6 级，c p 值也可达到1 3 3 。作为通用型车床，特别适合汽 车，摩托车、电子、航天、军工等行业对回转体类零件进行高效、大批量、高精度的加 工。 该车削中心采用机、电、液一体化结构，整体布局紧凑合理，便于保养和维修，具 有高转速、高精度、高刚性的特点，关键的外购件都选用国际知名厂家的产品，保证车 床的精度和可靠性。整机采用封闭式全防护结构，圆弧形防护拉门，符合入机工程学的 原理，宜人性好，便于操作。 c h 6 1 4 5 系列车削中心实现模块化设计，可根据用户不同的需要进行自由选配。 c h 6 1 4 5 车削中心模型图如图2 1 所示【蝴。 2 2 卧式数控车床的结构 2 2 1 高刚性的斜式整体床身 本车削中心采用4 5 。斜角的整体床身，导轨跨度大，内部筋形布局合理，床身整体 刚性高。两轴均采用直线滚动导轨，进给精度高、摩擦阻力小，且z 轴导轨滑块特殊采 用长滑块形式，刚性好，抵抗振动、变形能力高，可使用户获得较高的加工精度及提高 快速移动的速度，获得较高的生产效率。 2 2 2 高转速、高刚性、高精度的主轴床头箱 本车削中心床头箱有两种结构，一种为单主轴床头箱；一种为电主轴床头箱。 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 图2 1c 聃1 4 5 车削中心 f i 昏2 1 c h 6 1 4 5t u m i n gc e n 衙 单主轴采用圆弧齿型带传动电机通过皮带轮变速后直接带动主轴转动，减少了机械传递 的功率损耗，提高了c 轴的分度精度，启动快速、平稳。单主轴床头箱主轴轴承选用日本n s k 精密主轴轴承，用德国高速润滑脂n b u l 5 润滑，主轴箱设计时考虑到最小热变，采取散热措 施及相应的减少主轴热变形的措施。主轴按轴承内环配磨，箱体孔按轴承外环配镗，经精心 装配主轴具有温升低，热变形小、精度高的特点。 电主轴床头箱采用日本f a n i ，c 公司的主轴单元，该主轴单元能实现两档切换，轴承选 用日本n s k 精密主轴轴承，主轴内的定子、转予及主轴轴承采用外接的油冷却机进行冷却， 使主轴处于恒温状态消除了热变形对主轴精度的影响。这两种床头箱在c 轴分度时均采用高 低压刹车结构。在进行钻孔、攻丝时主轴处于高压刹车状态，保证主轴不动；在进行铣削时 主轴处于低压刹车状态，使c 轴转动时增加阻尼车床分度平稳。这样使主轴在长期工作时保 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 持主轴轴线的相对稳定。 2 2 3x 、z 轴 x 、z 轴均采用高刚性、高精度日本直线导轨，x 、z 轴采用日本精密级 滚珠丝杠及日本n s k 轴承，丝杠采用予拉伸结构，且与电机直连，以确保x 、z 轴进 给，高速度、高精度及精度的长期保持性。 2 2 4 台尾 车床台尾采用日本n s k 轴承，可实现液压锁紧及尾座体的编程移动。 2 2 5 对刀装置 车床配有对刀装置可以对刀具的磨损进行补偿。 2 2 6 工位动力刀架 车床采用意大利d 1 j p i o m 加c1 2 工位动力刀架、刀夹、动力头等全部采用意大 利d u p l o m a ，兀c 产品，刀架转位时问短、精度高、性能稳定可靠。 2 3 卧式数控车床的主要技术参数 卧式数控车床的主要技术参数【1 1 l 见表2 1 ： 表2 1 卧式数控车床的主要技术参数 婴：! ：! 丛生竺! p ! 堂! ! 塑! 堕坐堕丝堕! 垡曼兰些 项目单位规格备注 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 续表2 1 卧式数控车床的主要技术参数 c o n 血u c d r 眦t h et a b 2 1 项目 备注 电主轴 主轴箱 主轴转速范围 主毽苎查竺堂 矩。m i n 7 m “3 0 4 0 0 0 7 0 0 ( 无级转数) 2 2 1 5f a n u co i t c 主电机功率 聃 ( 3 0 分钟连续) x 轴行程、c 轴最高转速 姗m i ：篇： 2 8 8 3 0 0 西门子8 1 0 d 3 0 3 0 0 0 7 3 0 主轴转速范围 单主轴 主轴最大输出扭矩3 0 3 0 0 0 8 6 0 ( 无级转数)f 舢c0 i t c 主轴箱 主电机功率 k w 2 1 5 1 6 西门子8 l o d ( 3 0 分钟连续)1 8 5 1 5f n l i c0 i t c z 轴行程 6 0 0 m 1 0 5 0 尾座体行程m 刀架形式 5 2 09 4 0 卧式1 2 工位动力刀架 5 5 0 m 1 0 0 0 m 刀架转位时间：每工位1 8 0 。 so 3 2 z 32 5 2 5 x1 5 0 外圆刀 口 刀 4 5 0 0 西门子8 1 0 d 动力刀具最高转速 r i n 具 5 0 0 0 f a 删c0 i t c 尺 最大钻削直径m 2 0 寸 最大铣削直径m 2 5 最大攻丝直径m m 1 6 2 ；她4 1 5 车床外型( 长宽高) “ 口 3 2 8 0 1 9 3 0 1 9 1 5 3 8 7 0 x 2 0 2 5 1 9 1 5 中心高( 距床身底面)+ m 1 0 2 l 5 5 0 m 1 0 0 0 m 电压 va c 3 8 0 电压波动范围 一1 0 + l o 总 频率 h z5 0 1 电 源 电主轴 5 3 f a n u c0 i t c 总电源功率 肼 单主轴 4 5西门子8 1 0 d 3 5f 舢co i t c 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 续表2 1 卧式数控车床的主要技术参数 c o n d n u c df b mt h e1 | a b 2 1 项目单位规格备注 液压系统压力 车床总重量 m p a k g 4 5 4 0 0 5 5 0 m k g 6 0 0 01 0 0 0 哪 电主轴 2 2f 删co 卜t c 总电 主电机 肼 单主轴 2 1 5 西门予8 l o d 源功 1 8 5 刚咖j c0 i t c 率所液压电机 肼2 2 含内 冷却泵电机 硼0 1 8 容 x 轴伺服电机 肼 a 1 2 b 3 0 0 0 i 3 f n u co i t c 1 f 姗8 3 6 f 7 l l 4 2西门子8 1 0 d a 2 2 3 0 0 0 i 4 剧i n 【i co i 一1 总电 z 轴伺服电机肼 l f k 6 0 8 3 6 矗f 7 l l g 。4 2 西门子8 1 0 d 源功 a3 1 0 0 0 0 i 5 5 f 艮n u c o i - 1 r c 率所刀架电机肼 含内 i f t 6 0 8 6 4 5 0 0 8 。5西门子8 1 0 d 容 眦单元k v ao 6 控制板k v a 1 2 4 卧式数控车床的检测精度 本车床检测精度贯彻中华人民共和国国家标准g b t 1 6 4 6 2 1 9 9 6 数控卧式车床 精度检测，见表2 2 。 9 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 表2 2 数控卧式车床精度检测 雹生：! ：! 垒! 坐! 翌! 型塑些堕堡! 型坠堕坐! 检验项目国家标准工厂标准篇 一l o 沈阳工业大学硕士学位论文 3 卧式数控车床精度分析 3 1 影响数控车床精度的因素 影响车床的相关精度( 几何糖度、运动精度、坐标定位精度) 、工件原始条件( 工件 的材质、热处理、上序质量及工件在车床上的装夹位置等) 、和机能效应( 重力、夹紧和 温热三类变形因素) ，是影响零件的加工精度的主要因素。其中，尤以车床相关精度的 影响起着决定性的作用。 车床相关精度是决定车床质量的重要因素【珏1 3 1 ，工件原始条件( 工件的材质、热处 理、上序质量及工件在车床上的装夹位置等) 、和机能效应( 重力、夹紧和温热三类变形 因素) 从设计上可以考虑，从车床的研制过程中是可以解决的。几何精度、运动精度、 坐标定位精度是由零部件的加工精度、装配特度等因素决定的。 因此在数控车床的验收中，必须保证车床的几何精度、运动精度、坐标定位精度。 车床各主要部件的尺寸、形状、相互位置和相对运动的精确程度，是衡量车床质量的基 本指标，车床的几何精度对加工零件的几何精度有直接影响，所以，在车床生产中，要 逐台进行整机的几何精度检验，以确保车床产品的质量f 1 4 1 5 1 。 3 2 卧式数控车床误差分析 卧式数控车床几何精度检验，必须真实反映其车床工作区内形成工件轮廓表面的刀 尖相对工件运动轨迹的规律性要求，因为卧式数控车床是高度自动化的数控车床，完全 排除了零件加工时人的观察、测量、补偿等干预作用。工件的加工精度主要取决于车床 载运刀具和工件的各部件的运动和定位精度，故卧式数控车床几何精度检验的重点，应 该是影响工件的形位精度【1 6 ，切。卧式数控车床直移部件运动误差见图3 k 车床单轴系统共有六项误差：位置，角偏( 垂直方向、水平方向) ，直线度( 垂宜方 向、水平方向) ，旋转。二个轴共有十二项误差，加上二轴的垂直，共计十三项误差。 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 图3 1 卧式数控车床直移部件运动误差示意图 f 螗3 1s c h 锄a t i c 五0 f m o v c m t e r f o f 缸蛆s t 嘶g h y m o d v e p a r t o f h o r i z 叫t a l c n c l 丑t h e 一1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 4 卧式数控车床几何精度检验方法的发展 4 1 数控车床的传统检测方法 卧式数控车床的几何精度【1 8 1 9 】包括直线度，垂直度，平面度，平行度等：工具：传 统方法采用大理石或金属平尺、角规、百分表、水平仪、准直仪、主轴检棒等。 根椐检测标准要求，车床主运动机构从低速起，作低、中、高速运转，每级转速运 转时间不少于2 分钟，最高转速不得少于l 小时，使主轴轴承和动力刀具主轴轴承达到 稳定温度，检查主轴轴承和动力刀具主轴轴承温度和温升，轴承温度不应超过加。c ， 温升不应超过3 5 。c 。 4 1 1 检测标准 i ) i 依据“切削规范一和工艺规程之规定，抗振试验做1 0 0 检验，并记录。 ( 2 ) 依据工艺规程规定，车床噪声做1 0 0 检验，并填写车床噪声检测记录 单。 ( 3 ) 车床在进行空运转噪声检测时，不应有不正常尖叫声和冲击声，在任意级转 速运转时，整机噪声不应超过工艺规定。 ( 4 ) 依据数控卧式车床技术条件j b t 4 3 6 8 3 9 6 之7 3 规定进行动作试验。 ( 5 ) 依据工艺规程规定，连续空运转试验做1 0 0 检验。 ( 6 ) 依据工艺规程规定，刀具检测试验做1 0 0 检验。 ( 7 ) 参照数控卧式车床产品质量分等之3 1 1 7 规定，润滑系统做1 0 0 检 验。 ( 8 ) 依据 7 咖；进给量0 1 衄r ；切削宽度9 姗；切削时车床不应有明显振动。 ( 4 ) 检验几何精度 主轴检棒的跳动轴端处：o 0 1 距轴端3 0 0 处：将千分表分别指在主轴检棒的轴端处 及距轴端3 0 0 处，转动主轴在垂直和水平两个方向检测，检验表针的变化量，不准超过 允差值印。1 1 。 ( 5 ) 检验主轴定心轴径径向跳动 1 ) 检验主轴轴肩支承面的跳动；将千分表指在主轴定心轴上，转动主轴读取表针 的变化量，不准超过允差值。 2 ) 检验主轴的轴向窜动：将千分表指在主轴轴肩支承面上，转动主轴读取表针的 交化量，不准超过允差值。将千分表指在主轴检棒中心孔钢球上，转动主轴检验表针的 变化量，不准超过允差值。 ( 6 ) 检验溜板移动对主轴锥孔中心线的平行度( 热检) 1 ) 主平面：主平面检测方法是将千分表指在主轴检棒侧母线上，在3 0 0 长度上检 验溜板移动对主轴锥孔中心线的平行度，再将检棒旋转1 8 0 。用同样方法检测，两次检 测结果的代数平均值即为该项误差。 2 ) 次平面：次平面检测方法与主平面检测方法相同。 ( 7 ) 检验尾座套筒轴线对溜板移动的平行度 1 ) 主平面：主平面检测方法是将千分表指在尾座套筒侧母线上，在1 5 0 长度上检 验溜板移动对尾座套筒的平行度，表针读数变化量即为该项误差。 2 ) 次平面：次平面检测方法与主平面检测方法相同。 ( 8 ) 检验尾座移动时对溜板移动的平行度 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 1 ) 主平面；主平面检测方法是将千分表指在尾座套筒侧母线上，在全上使尾座与 床鞍同步移动，表针读数即为该项误差。 2 ) 次平面：次平面检测方法与主平面检测方法相同。 ( 9 ) 检验床头顶尖跳动及台尾顶尖跳动 1 ) 将千分表指在主轴顶尖上，转动主轴，检验表针的变化量，不准超过允差值。 2 ) 将千分表指在台尾项尖上，转动台尾顶尖，检验表针的变化量，不准超过允差值。 ( 1 0 ) 检验主轴和尾座两顶尖等高度( 热检) 1 ) 将检棒顶在主轴和尾座两顶尖上。 2 ) 将千分表指在检棒上母线上，在全长上移动溜板，检验两顶尖的等高度，千分 纛的读数变化最即为该项误差。 ( 1 1 ) 检验滑板横向移动对主轴轴线的垂直度( 热检) 将千分表指在垂直检具上，旋转主轴，在最高点处手动方式移动滑板，在全长处记 下表的读数，用同样方法在最低点处记下表的读数，两次检测结果的代数和的平均值即 为该项误差。 ( 1 2 ) 检验转塔刀架工具孔对主轴轴线的平行度 1 ) 主平面：将检棒安装在刀架工具孔内，将磁力表座吸在主轴轴端处，将千分表 指在检棒上母线上，在1 0 0 长度上移动溜板，检验刀具孔中心线对主轴轴线的平行度， 千分表的读数变化量即为该项误差。 2 ) 次平面：次平面检测方法与主平面检测方法相同。 ( 1 3 ) 检验转塔刀架工具孔对主轴轴线的同轴度( 热检) 1 ) 主平面：将检棒安装在刀架工具孔内，将磁力表座吸在主轴轴端处，将千分表 指在检棒上母线上，旋转主轴，检验刀具孔中心线对主轴轴线的重合度，千分表的读数 变化量即为该顼误差。 2 ) 次平面：次平面检测方法与主平面检测方法相同。 转塔附具定位面对溜板移动的平行度： 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 转塔附具定位面的位置度：将刀架转至任一工位，将磁力表座吸在主轴轴端处， 将千分表指在附具定位面上，在z 轴方向移动溜板，移动8 0 长度，千分表的读数变化 量即为该工位的误差。各工位误差的最大值即为位置度误差。 ( 1 4 ) 检验精车外圆的圆度和圆柱度 1 ) 用千分尺在同一截面的相互垂直的两个方向上检测试件的直径值，两直径值之 差的一半即为该项圆度误差。 2 ) 用千分尺在规定截面内，在任意方向上检测试件的直径值，各直径值之差即为 该项圆柱度误差。 3 ) 精密车床用圆度仪检测。 ( 1 5 ) 检验精车平面 将千分表指在试件上，在主轴中心处手动方式移动滑板，在试件边缘处记下表的读 数，用同样方法检测并处记下1 8 0 。对称方向表的读数，两次检测结果的代数差的平均 值即为该项误差。 ( 1 6 ) 检验精车螺纹的螺距累计误差： 在万能工具显微镜上检测。 ( 1 7 ) 单脉冲试验： 将测微表压在床鞍侧面上手摇脉冲进给3 0 个脉冲去其中2 0 个脉冲，进给3 0 各脉 冲去其中2 0 个脉冲，达到要求。 1 ) 脉冲当量误差正反向不得大于2 0 。 2 ) 轴前中后，上中下至少测量三点。 ( 1 8 ) 返零试验： 1 ) z 轴误差：z 轴返回到床身尾部，设零点将测微表压在床鞍侧面上对零，将床鞍移 动7 处各不相同位置返回原点测微表各次读数最大差值为返零误差 2 ) x 轴误差：x 轴返零试验与z 轴相同 4 2 数控车床的先进检测方法 现阶段我们国家的数控车床位置精度检测主要作线性检测和回转轴检测。双频激 光线性检测原理如图4 1 所示，回转轴测量原理如图4 。2 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 氍悫反射橇 鳜目e ! t 图4 1 双频激光线性检测原理 f 培4 【j n c a rd e t e c 血gp r i n d p l eo fl 蝎c rw i t hd 伽o b l cf 托n q 砒n c y 图4 2 回转轴测量原理 f i g 4 2d e t c c n n gp 血i c i p l eo fr o t a f ys h a n 角度检测主要检测数控车床的各轴的角度偏差。( 俯仰、倾斜、偏摆) 角度测量 原理见图4 。3 ，球杆仪诊断原理见图4 4 。 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 图4 3 角度测量原理 f i g 4 3p r i n c i p l e0 f d e t c c 血g a n g i l l 盯 图4 4 球杆仪诊断原理 f 置g 4 4d i a 铲矗c 胁c i p j eo fs p h e f i c a lr 0 di n s 仕蝴t 1 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 4 2 1 数控车床精度的评定和修正 我们国内数控车床的技术水平与国外存在着一定的差距，主要是：精度、效率和 自动化上的差距。主要原因是：主机设计基本功差、缺乏创新、模块化设计少；重要基 础元部件和数控系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验、检测手段 较落后；在数控车床的产品水平和总体技术水平上，差距较明显。所以，我们努力的方 向应该狠抓根本，解决主机、元部件的先进性：解决检测手段的先进性等。 所以，采用激光检测系统进行评定和修正数控车床的精度是世界机械行业生产中， 比较先进的检测手段。但是各生产厂所采用的评定标准没有一个统一要求，一般都是根 据用户要求或是国家标准、国际标准i s 0 2 3 0 、美国a s m eb5 5 4 车床标准等来保证 数控车床的定位精度。 双频激光干涉仪阎是当代国际车床标准中规定使用的用于数控车床精度验收的检 测测量设备，其测量原理和测量方法如下： ( 1 ) 双频激光干涉仪测量原理 从激光头激光谐振腔发出的h e n e 激光束，经激光偏转控制系统分裂为频率分 别为f l 和f 2 的线偏振光束，经取样系统分离出一小部分光束被光电检测器接收作为参考 讯号，其余光束经回转光学系统放大和准直，被干涉镜接收反射到光电检测器上。车床 运动使干涉镜和反射镜之间发生相对位移，两束光发生多普勒效应，产生多普勒频移 f 光电检测器接收到的频率讯号( f i f 2 f ) 和参考讯号( f i f 2 ) 被送到测量显示 器，经频率放大、脉冲计数，送人数字总线，最后经数据处理系统进行处理，得到所测 量的位移量，即可评定数控车床的定位精度。 ( 2 ) 双频激光干涉仪测量方法 1 ) 在进行测量之前，首先是双频激光干涉仪的测量设备的安装，它包括：双频激 光干涉仪测量系统的组件安装、在x 轴方向光学测量装置的安装、在车床坐标轴线方向 安装光学测量装置等，安装图见图4 5 4 6 。 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 图4 5x 轴方向光学测量装置的安装 f i g 4 j i t a l l a d o no f o p 6 c a l m w i n g i n s t r t f o rx a 地 图4 6 双频激光干涉仪测量系统各组件安装 f i g 4 6 a r r a n g c m e n o f v a r i o l l s b l o c k s f o r m e 勰u 血g s y s 蜘o f i n t e r f e r 伽e t c f w i t hd o u b l cf 如q u e n c yb s e r 一2 0 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 其次是双频激光干涉仪的测量设备的调整，其调整过程为：先调整激光头，使 双频激光干涉仪的光轴与车床移动的轴线昼在一条直线上，即将光路调准直。 3 ) 最后是测量，即等待激光预热后开始输入测量参数，然后按照规定的测量程序 运动车床进行测量，最后进行数据处理并输出结果。 ( 3 ) 测量误差分析 用双频激光干涉仪检验数控车床定位精度的测量误差主要来源如下： 1 ) 双频激光干涉仪的极限误差见式( 4 1 ) ： 厶ii 1 0 - 7 工 式中：工一为测量的长度，单位为m ； t 最大测量极限误差，单位为i i m 。 2 ) 安装误差 它主要是由测量轴线与车床移动的轴线不平行而引起的误差，见式( 4 2 ) ： a 2i 1 0 三( 1 一c o s 8 ) ( 4 1 ) ( 4 2 ) 式中：l 测量的长度，单位为m ； p 测量轴线与车床移动的轴线之间的夹角，单位为。( 由于光路准直，日值趋 于0 ，故此项误差忽略不计) ： a ：一最大测量安装误差，单位为咿n 。 3 ) 温度误差 它主要是由车床温度和线膨胀系数不准备而造成的误差，见式( 4 3 ) ： ( 4 3 ) 卧式数控车床几何精度校准与诊断技术的研究 式中：l 一测量的长度，单位为m ； 6 。一车床温度测量误差，6 。= o 1 ； 口一为车床材料线膨胀系数，口= 1 1 5 1 0 1 ； 6 。一为线膨胀系数测量误差，6 。= 3 1 0 1 。 厶一最大测量温度误差，单位为m 如设：= 1 0 m ，则根据式( 4 3 ) ，3 = 1 1 9 ( h m ) 从上面分析可以看出，在各项测量误差中，温度误差对测量结果的准确性影响最大。 所以，为了保证测量结果的准确性，测量环境温度应满足2 0 5 ，且温