熱效應(yīng)中立式加工中心直線軸線的精度測(cè)量

韓玉穩(wěn)　董應(yīng)明　高健

摘要：立式加工中心直線軸線的數(shù)控精度在機(jī)床熱效應(yīng)中變化較大。根據(jù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)立式加工中心直線軸線熱效應(yīng)的數(shù)控精度，為機(jī)床的設(shè)計(jì)，改進(jìn)，應(yīng)用提供可靠有效數(shù)據(jù)，提高機(jī)床的性能。

關(guān)鍵詞：熱效應(yīng)；直線軸線；數(shù)控精度；測(cè)量

引言

立式加工中心受環(huán)境熱源及溫度，機(jī)床運(yùn)動(dòng)切削加工，導(dǎo)致機(jī)床的幾何精度和數(shù)控精度改變，這些精度的改變，影響著機(jī)床的壽命、運(yùn)動(dòng)性能、加工件的精度。立式加工中心熱效應(yīng)是生產(chǎn)廠家和用戶(hù)關(guān)注的重點(diǎn)。本文結(jié)合采用兩個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、溫度傳感器、激光技術(shù)，對(duì)立式加工中心的數(shù)控直線軸精度進(jìn)行測(cè)量，較為全面地反映了立式加工中心熱效應(yīng)下直線軸線的精度。

1.數(shù)控直線軸線精度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

目前，立式加工中心的直線軸運(yùn)動(dòng)一般主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，拖動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；當(dāng)機(jī)床的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，材料會(huì)熱脹冷縮，滾珠絲杠的導(dǎo)程就會(huì)加長(zhǎng)或縮短；同樣，當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及切削加工時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件也會(huì)發(fā)熱，根據(jù)滾珠絲杠的支承方式，滾珠絲杠的導(dǎo)程會(huì)加長(zhǎng)或縮短；立式加工中心的數(shù)控直線軸精度包括定位精度（單向、雙向）、重復(fù)定位精度（單向、雙向）、位置偏差、軸線的反向差值等就會(huì)改變，機(jī)床的加工精度隨之降低。

直線軸的數(shù)控精度是立式加工中心的重要性能指標(biāo)之一，其測(cè)量的方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T17421.2-2000機(jī)床檢驗(yàn)通則 第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》（等效采用際標(biāo)準(zhǔn)ISO 230-2：1997），《GB/T17421.3-2009 機(jī)床檢驗(yàn)通則 第3部分：熱效應(yīng)的確定》（等同采用ISO 230-3：2001），《GB/T 18400.4-2010 加工中心檢驗(yàn)條件 第4部分：線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度和重復(fù)定位精度檢驗(yàn)》（等同采用ISO10791-4：1998）。

1.1 GB/T17421.2-2000和GB/T 18400.4-2010簡(jiǎn)介

GB/T 18400.4-2010的檢測(cè)條件、數(shù)據(jù)處理等采用 GB/T17421.2-2000的規(guī)定，只是對(duì)立式加工中心的數(shù)控直線軸精度如定位精度（單向、雙向）、重復(fù)定位精度（單向、雙向）、反向差值等公差予以了具體化。

（1）檢測(cè)條件

A 環(huán)境：被檢測(cè)機(jī)床的環(huán)境溫度為20℃，機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)升溫條件根據(jù)用戶(hù)和機(jī)床的供應(yīng)商/制造商協(xié)商達(dá)成的協(xié)議，如果環(huán)境溫度不是20℃，也可根據(jù)用戶(hù)和機(jī)床的供應(yīng)商/制造商協(xié)商達(dá)成的協(xié)議環(huán)境溫度檢測(cè)。

B 被檢機(jī)床：被檢機(jī)床應(yīng)完成裝配并經(jīng)充分運(yùn)轉(zhuǎn)。在開(kāi)始檢驗(yàn)定位精度和重復(fù)定位精度之前，機(jī)床的調(diào)平、幾何精度和功能檢驗(yàn)都應(yīng)完全符合要求；檢驗(yàn)在機(jī)床無(wú)負(fù)載的條件下進(jìn)行。

C 升溫：檢驗(yàn)前應(yīng)按供方/制造廠的規(guī)定或供方/制造少與用戶(hù)的協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳郎亍?/p>

（2） 測(cè)量

A 測(cè)量行程：行程至2O00mm時(shí)在全行程上測(cè)量；行程超2O00mm時(shí)，按約定檢驗(yàn)。

B 采樣點(diǎn)：在行程至2O00mm的線性軸線上，每米至少選擇5個(gè)目標(biāo)位置，并且在全程上至少也應(yīng)有5個(gè)目標(biāo)位置，按標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)（見(jiàn)圖1）在所有目標(biāo)位置上進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)目標(biāo)位置在每個(gè)方向上應(yīng)測(cè)量5次；行程超2O00mm時(shí)，按約定檢驗(yàn)。

C 采樣時(shí)間：直線軸完成標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)所需時(shí)間。

（3） 測(cè)量結(jié)果評(píng)定

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的數(shù)字特征法，計(jì)算處理得出定位精度（單向、雙向）、重復(fù)定位精度（單向、雙向）等具體數(shù)值。

（4） 從GB/T17421.2-2000的檢測(cè)條件和測(cè)量過(guò)程可知，檢測(cè)得出的直線軸數(shù)控精度為某一環(huán)境條件和機(jī)床狀態(tài)下的數(shù)值，檢測(cè)的條件見(jiàn)圖2。

1.2 GB/T17421.3-2009簡(jiǎn)介

（1） 檢測(cè)條件

A 環(huán)境：各種環(huán)境溫度。

B 被檢機(jī)床： 在機(jī)床檢驗(yàn)前，所有必要的調(diào)平、幾何調(diào)整和功能檢驗(yàn)都應(yīng)完成；檢驗(yàn)在機(jī)床無(wú)負(fù)載的條件下進(jìn)行。

（2） 測(cè)量

分為環(huán)境溫度變化誤差（ETVE）的檢驗(yàn)和由線性軸線運(yùn)動(dòng)引起的熱變形的檢驗(yàn)。

A 立式加工中心環(huán)境溫度變化誤差（ETVE）的檢驗(yàn)。

測(cè)量?jī)x器安裝的方式見(jiàn)圖3，測(cè)量夾持刀具的部件和夾持工件的部件之間相對(duì)位移，計(jì)算繞機(jī)床X軸線和Y軸線的傾斜或旋轉(zhuǎn)。

機(jī)床的環(huán)境溫度、主軸軸承溫度、4個(gè)位移傳感器至少每5 min采樣一次，測(cè)量周期沒(méi)有具體規(guī)定，但應(yīng)盡可能長(zhǎng)（一般大于4小時(shí)）。

B 線性軸線運(yùn)動(dòng)引起的熱變形的檢驗(yàn)。

測(cè)量行程及采樣點(diǎn)：當(dāng)直線行程至2000mm的機(jī)床時(shí)，熱誤差測(cè)量為行程的兩端（兩個(gè)點(diǎn)）的熱漂移；如果軸線行程大于2000mm的機(jī)床，可在每個(gè)軸的正常工作范圍內(nèi)選定一個(gè)有代表的2000mm長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)；見(jiàn)圖4。

采樣時(shí)間：運(yùn)動(dòng)軸線至少循環(huán)4小時(shí)直至運(yùn)動(dòng)軸線達(dá)到熱平衡。

（3） 測(cè)量結(jié)果評(píng)定

A 環(huán)境溫度變化誤差的評(píng)定

同時(shí)測(cè)量讀取4個(gè)位移傳感器X1、X2、Y1、Y2在各個(gè)采樣點(diǎn)的讀數(shù)，X直線上的誤差以同一方向的X1（或X2）的最大值計(jì)，Y直線上的誤差以同一方向的Y1（或Y2）的最大值計(jì)。

對(duì)于角度偏差測(cè)量按下式計(jì)算：

A = （Y1-Y2 ） /L ，B=（X1一X2）/L

ETVE（A）= A的最大值；ETVE（B）=B的最大值。

B 線性軸線運(yùn)動(dòng)引起的熱誤差的評(píng)定

熱誤差用elx+、elx-：、e2x+、e2x-來(lái)評(píng)定。

elx+：目標(biāo)位置1在X軸正向熱偏移的總量。

elx-：目標(biāo)位置1在X軸負(fù)向熱偏移的總量。