在当今生产活动中,对机械加工提出越来越高的技术要求,零件的设计精度越来越高,以获得更高的 性能要求。由于实际使用的需要,不仅对机械零件的尺寸精度有一定要求,而且对零件的轮廓精度 (如圆度、直线度、垂直度等)也有一定要求。数控机床的发展和完善为解决复杂零件的轮廓加工 创造了良好的条件,相应地要求对零件的轮廓精度检测提供技术保证。在数控机床或加工中心上加 工机械零件,要按照零件的设计要求,既要保证零件的尺寸精度,也要保证零件的轮廓精度。在实 际加工过程中,有许多因素影响轮廓加工精度,产生轮廓加工误差。对机械零件轮廓加工误差的测 量,一般是在零件加工后,将其从机床上取下,在坐标测量机上测出其轮廓误差,以判断其是否满 足设计要求。如果不能满足设计要求,可以在下一工序或下一件加工时,在机床上对其轮廓加工误 差进行补偿修正,以提高零件轮廓加工精度。这种方法比较费时,而且要用到价格昂贵的坐标测量 机,成本较高;如果是同一个零件,在某一道加工工序后测量轮廓误差,在下一道工序对轮廓误差 进行补偿修正,那么二次安装又将引起误差。为此,便提出了联机检测法,即在加工过程的某一道 工序后,直接在机床上对工件轮廓误差进行测量。但是在机床上进行测量,不像在专门用于测量的 坐标测量机上测量,将会引入一些测量误差。如何减小以至消除测量误差,提高联机测量精度,是 一个重要的问题。目前不少加工中心已具有联机检测功能,但其输出结果一般为轮廓误差的最大值 ,而不能输出轮廓误差分布,难以进行误差结果的误差分离和轮廓加工误差补偿。本文提出的方法 可以得出轮廓误差的规律,在需要减小轮廓误差的情况下,可以对轮廓误差进行补偿修正。1 机 床运动误差源分析联机检测机械零件轮廓精度时,机床处于空载状态,没有切削力,此时,主要是 几何运动误差影响测量精度。由于机床零件制造误差、装配误差、伺服系统误差及机床运动部件的 磨损等原因,工作台在相应的导轨上作直线运动时,运动轨迹并不是理想的直线,使得机床按数控 指令产生的实际响应与预期响应之间存在偏差。设工作台沿X方向运动,它将产生沿X、Y、Z三 坐标方向的线位移误差Δ(x)、δy(x)、δz(x)和绕X、Y、Z三轴的角位移误差α( x)、β(x)、γ(x)。X为距机床原点的位移量。三坐标数控机床直线运动误差构成如表1 所示。表1 三坐标数控机床直线运动误差构成坐标误差项目定位误差线位移误差角位移误差X向 移动Δ(x)δy(x),δz(x)α(x),β(x),γ(x)Y向移动Δ(y)δz(y ),δx(y)α(y),β(y),γ(y)Z向移动Δ(z)δx(z),δy(z)α(z ),β(z),γ(z)表1中各项目的含义:Δ(x)为沿X轴运动时的定位误差;δy(x) 为沿X轴运动时的Y向直线度误差;δz(x)为沿X轴运动时的Z向直线度误差;α(x)为沿 X轴运动时的滚转误差;β(x)为沿X轴运动时的俯仰误差;γ(x)为沿X轴运动时的偏摆误 差。Y、Z方向的误差项目含义以此类推。线位移误差以坐标轴正向为“+”,角位移误差的方向 遵守右手螺旋规则。除以上误差项目外,还有三个坐标之间的相互垂直度误差共3项。2 机床几 何运动误差检测任何一台机床的零部件制造精度、装配质量、伺服系统的性能以及运动部件的磨损 状况等都不一样,因而它们的几何运动误差也各不相同,不能采用解析的方法计算求出,而必须通 过实际测量得到。可以用“五点法”测量出机床几何运动误差。在机床工作台上固定一基准平尺, 平尺的表面形状误差很小以至于被忽略不计,或用坐标测量机预先测出其表面形状误差。平尺安装 正确,长度方向与待测量的机床运动方向一致。工作台带动平尺沿X轴的整个行程运动,布置5个 位移传感器测量并计算出X方向直线运动误差中除定位误差外的其余5个分量。采用同样的方法, 可以测量出Y、Z方向的直线运动误差。3 实验方法及结果根据前述原理,测量了一台德国生产 的MAHOMC50加工中心的几何运动误差,然后将测量计算得到的误差值存入计算机中,用于 联机测量轮廓加工误差的实验。切削实验采用铝圆盘,加工外圆,加工完毕后将刀具取下,装上联 机检测装置,对此铝圆盘的外圆进行测量。然后计算出不考虑机床几何运动误差时的圆度和考虑机 床几何运动误差时的圆度,对两者进行比较。工件为LY12铝圆盘,直径为304mm,厚度为 18mm。刀具为4齿立铣刀,直径为12mm。切削实验条件为:主轴转速1000r/min ;切削用量Vf=200mm/min,aP=18mm,ae=1mm。实验所用测量装置中的 传感器采用一维电感式传感器,而测量对象是外圆,即工件是两维的。一般来说,应采用多维传感 器,但多维传感器价格昂贵。本实验采用的办法是利用步进电机带动一维传感器旋转,在测量过程 中,测量程序控制测量中传感器测头测量方向与工件法线方向保持一致,然后通过计算,得到工件 X、Y两个方向的位移。这样,就保证了用一维传感器可以测量二维工件(平面轮廓工件)。本文 实验虽然测量的是圆形工件,但是被测量工件形状并没有这个限制,可以是任何平面轮廓,只要计 算出任意时刻工件表面的法线方向,然后使测量程序控制传感器测头测量方向在任意时刻与工件表 面法线方向一致,即可保证得到正确的测量数据。由于在测量过程中,测头要回转,此回转误差也 要影响测量精度。解决办法是:采用高精度轴承,这样轴承引起的误差较小;采用向心推力球轴承 ,可以调整径向间隙,使轴承在无间隙状态下运行;采用电感测微仪,用三点法测量出测头的回转 运动误差,在工件的测量数据中将其扣除掉图1 零件轮廓误差联机检测结果测量过程中,工件随 工作台在X-Y平面走一个圆,测量装置测头随时回转,以保证测头测量方向与工件上被测点处的 法线方向一致。工件回转一圈后,就可得到全部测量结果。为了检验机床几何运动误差对测量精度 的影响,采取了以下计算公式:Δc1(i)=Vm(i)-Δt(i)(1)Δc2(i)=V m(i)-Δm(i)-Δt(i)(2)式中,Δc1(i)为不考虑机床几何运动误差时轮廓 上第i个测点的实际误差值;Δc2为考虑机床几何运动误差时轮廓上第i个测点的实际误差值; Vm(i)为第i个测点的联机测量值;Δt(i)为第i个测点处对应的测量装置回转误差值; Δm(i)为第i个测点机床几何运动误差对联机测量值的影响,它是通过采用五点法(平面问题 为三点法)测得平面两个坐标运动时的线位移误差和角位移误差以及两个坐标的垂直度误差,并通 过对应点的计算而得到。用最小二乘法对Δc进行计算,得到轮廓误差的最小二乘圆及偏心,以该 圆作为圆盘形零件形状误差的评定基准,便可求出工件圆度大小及各测点的轮廓误差值。该零件的 轮廓误差联机测量结果与用Leitz公司生产的PMM12106三坐标测量机测量结果对比如 图1所示,其中a图和b图分别为不考虑和考虑机床几何运动误差时的情况;图中粗实线为联机测 量结果,细实线为坐标测量机测量结果。从图1中可看出,不考虑机床几何运动误差时圆度为28 .07μm,考虑机床几何运动误差时圆度为30.51μm;考虑机床几何运动误差时,与坐标 测量机测量的圆度值误差由6.11μm降到3.67μm,相对误差由17.87%降为10. 74%。由此可见,机床几何运动误差是影响联机检测轮廓加工误差的一个重要因素。考虑机床几 何运动误差的影响,可以提高轮廓误差联机检测精度。除上述机床几何运动误差、测量装置回转误 差影响联机测量精度外,测量装置中步进电机的步距角误差、采样过程中的数字量化误差以及随机 误差也会降低联机检测精度。4 结 语采用联机检测轮廓加工误差的方法,不用价格昂贵的坐标 测量机,具有简单、省时、经济的特点,可以用于柔性生产系统中。数控机床或加工中心的直线运 动误差是影响联机检测轮廓加工误差测量精度的主要因素。采用“五点法”测出除定位误差外的机 床几何运动误差,在实测零件轮廓加工误差时将其扣除掉,可以明显提高联机检测的测量精度提高 轮廓加工误差联机检测精度的一种方法@史文浩$西安理工大学机械与精密仪器工程学院!陕西西 安710048@罗钦跃$西安理工大学机械与精密仪器工程学院!陕西西安710048@严翔 $西安理工大学机械与精密仪器工程学院!陕西西安710048@黄玉美$西安理工大学机械与 精密仪器工程学院!陕西西安710048数控机床;;几何运动误差;;轮廓加工误差;;联机 检测精度在数控机床或加工中心上采用联机检测轮廓加工误差的方法,不用价格昂贵的坐标测量机,具有简单、省时、经济的特点。分析了数控机床或加工中心的直线运动误差对轮廓加工误差联机检测精度的影响,提出了消除机床几何运动误差影响,提高轮廓加工误差联机检测精度的方法。实验结果表明,所采用的方法可以明显提高轮廓加工误差联机检测精度<1>王一丁 ,张国雄 ,减艳芳等 .数控加工中心的位置误差补偿模型
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<2 >洪迈生 ,付卫泽 ,王介心 .用两种误差分离技术测试机床直行部件的误差运动 .计量测试 ,1 984 ( 2 ) :1 2～ 1 8.
<3>张社民 ,徐文雄 ,范裕键 .在线检测工件轮廓和机床主轴回转误差的理论研究 .西安交通大学学报 ,1 993,2 7( 3) :1～ 6西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室基金资助项目惨跋觳饬烤取＝饩霭旆ㄊ?采用 高精度轴承,这样轴承引起的误差较小;采用向心推力球轴承,可以调整径向间隙,使轴承在无间 隙状态下运行;采用电感测微仪,用三点法测量出测头的回转运动误差,在工件的测量数据中将其 扣除掉图1 零件轮廓误差联机检测结果测量过程中,工件随工作台在X-Y平面走一个圆,测量装置测头随时回转,以保证测头测量方向与工件上被测点处的法线方向一致。工件回转一
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