加工中心精度保持性的評估與提高措施?

牟 冰，楊慶東

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192）

0 引言

五軸聯動加工中心在航空航天制造業中應用十分廣泛，主要用于加工具有復雜幾何形狀的曲面零件等［1］。由于各種因素的影響，國產加工中心隨著時間推移精度衰退嚴重，給用戶造成了巨大的損失。本文以國產五軸聯動葉片加工中心為研究對象，首先深入分析了影響其精度保持性的誤差源，并給出了加工中心精度保持性的測試方法。

1 影響精度保持性的因素

五軸聯動葉片加工中心模型如圖1所示。葉片加工中心的加工精度受到多種復雜因素的綜合作用，其精度衰退成因錯綜復雜，靠單一的精度控制方法根本不能確保加工中心的加工精度。研究表明國產加工中心在加工過程當中產生的載荷誤差、幾何誤差和熱變形誤差是造成其加工精度衰退的主要因素，共占到加工中心總誤差的60%～70%［2］。

1.1 葉片加工中心的誤差源

一般而言，葉片加工中心的加工誤差來源于以下幾個方面：①葉片加工中心的關鍵零部件如直驅雙軸轉臺、自動換刀裝置等，在制造與裝配過程當中產生的形狀位置誤差、尺寸誤差和裝配誤差等；②葉片加工中心在高速、重載的條件下工作，因環境溫度或部件局部溫度的明顯升高導致的熱變形誤差；③由于葉片加工中心自身重力、磨損、切削力變形以及因為葉片加工中心動剛度不足所產生的振動誤差；④葉片加工中心各軸系伺服系統產生的誤差；⑤由于葉片加工中心部件的殘余應力影響產生的誤差；⑥其他誤差，如外界干擾、濕度等產生環境誤差；⑦檢測系統中產生的檢測誤差等。

圖1 五軸聯動葉片加工中心模型

圖2詳細總結了影響葉片加工中心加工精度的誤差及它們之間的關系。

1.2 精度保持性檢驗測試

在葉片加工中心安裝調試以后，通常要通過激光干涉儀、球桿儀等對主軸精度、直驅雙軸轉臺精度、各坐標運動的直線度、垂直度精度及線性軸線位置定位精度等進行檢測［3］。為了讓檢具更好地發揮測量作用，需注意對檢具規范操作、做好維護保養確保其可靠性［4］。

下面根據對同批4臺葉片加工中心跟蹤統計的運行一年的精度衰退數據，提出了基于加工中心精度退化數據的精度保持性評估方法，并在此基礎上給出了提高葉片加工中心精度保持性的一些措施。

2 加工中心精度保持性的評估

要有效地提高葉片加工中心的精度保持性，首先要準確掌握和認識加工中心精度衰退的影響因素與演變規律，建立相應的物理模型［5］，探索緩解和控制加工中心精度衰退的方法。加工中心綜合精度指數T的計算公式如下［6］：

其中：n為檢測的機床數目；τip為機床精度實際測量值；τis為機床精度的允許值。

圖2 葉片加工中心的誤差源分析

基于對同批4臺葉片加工中心運行一年精度衰退的統計數據，通過公式（1）計算出每個調查時間點葉片加工中心的綜合精度指數，得到的葉片加工中心退化數據見表1。

假設這4臺葉片加工中心為同型可修復機床，相互獨立。4臺葉片加工中心投入使用后，截尾方式不同，其截尾時間分別為ti（i＝1，2，…，n），故障時刻為0≤ti1≤ti2≤…≤tim。

表1 葉片加工中心綜合精度指數T

基于精度退化數據分析的加工中心精度保持評估的具體步驟如下：

（1）根據表1的退化數據，運用MATLAB軟件曲線擬合得到各葉片加工中心的綜合精度指數T與故障記錄時間t之間的關系，如圖3所示。

（2）根據MATLAB得到各葉片加工中心的綜合精度指數T與故障記錄時間t之間的擬合曲線分別為：y＝0.000 6x＋0.301 7；y＝0.000 6x＋0.308 3；y＝0.000 7x＋0.337 4；y＝0.000 7x＋0.279 5。因Df＝1，令y＝1，得到平均故降間隔時間MTBF1＝1 163.8d，MTBF2＝1 152.8d，MTBF3＝946.6d，MTBF4＝1 029.3d。

（3）因為高可靠性、長壽命的加工中心一般都服從威布爾分布，所以首先假設各葉片加工中心偽壽命數據服從威布爾分布［7］，將數據描在威布爾概率紙上，可以發現它們基本分布在同一條直線上，因此可以判定得到的各葉片加工中心的偽壽命數據服從威布爾分布。

（4）從圖4中可以看出，各葉片加工中心精度衰退達到失效水平Df的時間服從威布爾分布，它們的均值即為該型葉片加工中心精度保持的平均無故障時間（d）：

圖3 各加工中心的精度衰退示意圖

圖4 威布爾概率紙

由上可知，該型葉片加工中心在精度保持性方面與國外還有一定差距，因此采取措施提高其精度保持性變得非常有必要。

3 加工中心精度保持性的提高措施

針對葉片加工中心的誤差源，提出了相應的誤差預防措施來提高加工中心的精度保持性［8］。具體措施如下：

（1）對加工中心制造加工和裝配工人開展可靠性培訓，提高加工中心的制造和裝配水平；簡化制造和裝配過程，采用合理的工藝方法來減少加工和裝配階段幾何誤差。

（2）要對葉片加工中心進行熱對稱結構設計、熱容量平衡設計等優化設計，預防可能產生的熱變形誤差［9］；在機床的發熱部位進行強制冷卻；定期做好機床冷卻系統的檢查和保養；采取適當措施保證工廠加工車間的溫度維持在適宜范圍內。

（3）運用整體靜力學設計、結合面設計來降低載荷變化引起的變形；建立專用工藝參數庫，選擇合適的工藝參數，提高機床的切削精度和質量；使用時導軌應保持良好的潤滑條件，并且要對導軌加防護裝置，減少導軌磨損，保證其精度保持性；采用橡膠隔振器、G型隔振器等機床防振裝置降低機床振動，保證其運動的平穩性。

（4）加工中心應采取合理的伺服控制和插補計算方法，以減少伺服誤差和插補誤差。因葉片加工中心采用閉環控制，要采用前饋、交叉耦合控制和逆補償濾波器控制等方式來提高加工中心的跟蹤精度。

（5）選擇能耗小、效率高的振動時效工藝來進行加工中心基礎件鑄造內應力的消除［10］，通過人工時效的方法減小和均化大型鑄件的殘余應力。

（6）注意散熱通風，保證機床處于干燥的環境中；采用物理隔離降低電磁干擾，采用濾波、接地等措施減少電壓波動。

（7）對加工中心檢具規范操作，做好維護保養確保其可靠性。

（8）要做好針對用戶使用、維護保養葉片加工中心的培訓，這對預防故障發生、提高加工中心的精度保持性意義重大。

4 結論

本文針對國產五軸聯動葉片加工中心在加工過程中精度衰退的問題，對影響葉片加工中心精度的誤差源進行了深入的分析，根據調查統計的退化數據，提出了基于葉片加工中心精度退化數據的精度保持性評估方法，最后針對誤差源給出了提高加工中心精度保持性的措施，為國產加工中心精度保持性的研究提供了一定的依據。

［1］劉慶杰，高宏力，張永勝.數控機床精度動態評估技術研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（9）：109－112.

［2］李剛.提高數控機床定位精度方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012：9－12.

［3］黃軍軍，龐明仁，孫克安，等.五軸加工中心精度在機檢測與校驗［J］.機床設計與制造，2013（7）：161－163.

［4］周忠民.機械檢具應用的特點及精度保持性措施［J］.裝備制造技術，2013（1）：174－178.

［5］丁文政，黃筱調，朱松青，等.數控機床精度衰退的研究進展［J］.機床與液壓，2012，40（15）：141－143.

［6］吳鵬.數控機床運行可靠性評估技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2012：1－10.

［7］董慧敏，劉勇軍，張新鋒.鎂錠切削機故障分布擬合與MTBF評估研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2014（1）：107－113.

［8］李小彭，劉春時，馬曉波，等.數控機床加工精度提高技術的進展及其存在的問題［J］.組合機床與自動化加工技術，2010（11）：1－4.

［9］鄒雪巍，劉傳金.淺談大型數控龍門導軌磨床關鍵技術及發展趨勢［J］.制造技術與機床，2012（1）：48－52.

［10］胡敏，余常武，張俊，等.數控機床基礎大件精度保持性研究［J］.西安交通學報，2014，48（6）：1－9.