機床導軌安裝面幾何誤差快速測量裝置研究

宗春滿

【摘?要】近年來，我國的工業化進程有了很大進展，對機床的應用也越來越廣泛。但是在基礎部件制造精度、整機質量穩定性和一致性方面一直與國際先進水平存在較大差距。提高整機質量的一致性與穩定性，最重要的一個方面就是提升床身、立柱等關鍵零/部件的制造精度，而機床導軌安裝面的加工精度是影響整機精度和裝配效率最主要的因素。根據機床基礎大件的實際加工檢測需求，針對機床基礎大件上的導軌安裝平面，設計了一套新型專用機床導軌安裝面幾何誤差檢測系統，實現對導軌安裝面幾何誤差的準確、快速和高效測量。通過與高精度光電自準直儀的對比測量實驗，證明開發的測量系統與自準直儀的測量精度相當，但在測量效率方面有明顯提升，能更加高效、快速地完成多項幾何誤差的測量。檢測系統的研究成果對提高國內機床制造業的制造精度和一致性具有積極的意義。

【關鍵詞】機床導軌安裝面;幾何誤差;測量系統;基準導軌

引言

機床的加工誤差體現在刀具切削點實際位置與理想位置的偏差，是由各類誤差傳遞與耦合而成，其中零部件的幾何誤差產生的誤差占了很大部分。基于多體系統理論，提出了關鍵性幾何誤差源識別的方法，可以有效地識別對機床空間誤差影響較大的零部件幾何誤差因素。

1機床導軌變形的理論計算

檢測對象及檢測要求本課題的研究對象是VMC850型立式數控加工中心。在立式加工中心的實際生產過程中，線性導軌由專門的導軌制造公司提供，國內機床企業一般直接外購機床上使用的各類線性導軌，這類外購導軌的加工制造精度相對比較高;所以，機床導軌的運動誤差主要受到機床導軌安裝面制造誤差的影響，也就是受到由機床企業自身生產的床身和立柱等關鍵零件的加工精度的影響。

1.1機床導軌垂直面內的誤差

機床導軌橫截面尺寸一般都比較大，導軌內部熱傳遞較慢，當滑塊從導軌的上表面經過會發熱，而這個熱量不會迅速的傳遞到下表面，從而導致熱量不均勻。如果頂面的溫度為T1，底面的溫度為T2，環境溫度為T0，則相應的溫度變化分別為ΔT1=T1-T0，ΔT2=T2-T0。

1.2導軌形位誤差矢量

形位誤差可概括為點、線、面等基本幾何要素相對理想要素的變動量。在三維空間中，誤差變動量可描述為沿3個坐標軸的平動和繞3個坐標軸的轉動，分別用d=（u，v，w）和θ=（α，β，δ）表示平動和轉動的微小變動矢量，兩組矢量的合成矢量D=（d，θ）=（u，v，w，α，β，δ）稱為小位移旋量，簡稱旋量。u，v，w，α，β，δ為旋量的旋量參數。不同類型誤差的旋量特征不同。若幾何要素沿某一個自由度方向運動時，其運動軌跡不產生新的誤差掃掠實體，此時該方向的旋量參數為零。

1.3機床導軌水平面內的誤差

由于制造和安裝精度的原因，導軌在水平面內的也會產生變形。根據ISO230的描述，機床工作臺在導軌上移動時會產生六項誤差，分別是一個定位誤差、二個直線度誤差和三個轉角誤差，這里所提出的轉角誤差指的是滑塊和導軌之間的角度誤差。

2總體方案設計

在實際生產中，由于機床導軌安裝平面位置特殊及被測量安裝面狹小，現有的檢測工具不能對導軌安裝平面進行快速、準確和有效地檢測，需要開發新的檢測工具。通過對國內外機床導軌安裝面幾何誤差測量研究現狀及趨勢的分析，結合工廠實際加工生產過程對機床導軌安裝面測量的需求，本文采用基準導軌法的測量方案，提出基于電渦流傳感器的機床導軌安裝面幾何誤差快速測量方法，并設計了以下的測量系統。測量系統中，將4個電渦流傳感器安裝于支架上且分別朝向機床導軌安裝平面的兩底面和兩側面，傳感器與支架固定于測量小車之上。測量過程如下：測量小車沿大理石基準導軌移動，以大理石導軌的頂面和一個側面分別作為水平和垂直方向的測量基準，采集測量方向上不同位置處電渦流傳感器的信號，然后通過電渦流傳感器前置調理器和數據采集裝置，對信號進行調理，經由無線通訊模塊發送，PC端接收測量信號，并利用測量程序對其進行記錄，進而通過數據處理程序分別計算得到機床導軌安裝平面兩底面和兩側面的直線度及平行度誤差。測量系統主要由支承定位結構單元、信號采集硬件電路單元和數據處理軟件單元3部分組成。

3誤差補償控制器的設計

（1）誤差補償模塊的硬件設計。機床導軌的精度通過誤差補償的方式來實現，在激光干涉儀測量出誤差數據后發送到誤差補償模塊中，CNC系統將接收的NC代碼和補償模塊中的NC代碼作比較，產生新的NC代碼從而保證主軸和導軌的相對位置更加精確。（2）誤差補償模塊的軟件設計。誤差補償模塊置于控制系統之外，機床導軌的直線度和平行度誤差由激光干涉儀測量產生，誤差值和當前反射鏡的移動的位置有關。為實現機床導軌誤差的有效補償，必須首先設定誤差值，然后通過測量值和設定值作比較，若測量的誤差值大于設定值，則這個誤差值存儲在補償值的序列中，反之，若小于設定值，則直接執行下一條指令。

4測量系統分析

評價一個測量系統需要確定3個基本因素：首先，系統是否具備足夠的（有效）分辨率;其次，系統在一定時間內是否保持統計上的一致;最后，系統統計特性在預期范圍內是否一致，即該測量系統用于過程分析和控制是否可以接受。整個測量系統分析的過程采用統計過程控制工具進行設計，利用成熟的數據分析方法，如方差分析、回歸分析等，對獲得的測量數據進行處理，確保測量數據的有效性和準確性，進而完成對測量系統的分析與評價。測量系統的穩定性，反映了系統的各個計量特性在一定的時間范圍內保持恒定的能力。合格測量系統的基本條件之一就是測量系統要有穩定性。一般采用測量結果的控制圖來判斷測量系統的穩定性。常用的控制圖有單值移動極差控制圖、均值極差控制圖和均值標準差控制圖等。由于立式加工中心床身產量相對較低、生產周期長和測量成本高，這里使用單值移動極差控制圖。選取某一待檢測的立式加工中心床身作為樣品，對床身的4個導軌安裝平面進行連續測量，記錄測量數據，平均每5min采集一組數據，然后對數據進行處理，分別得到4項導軌安裝面的直線度誤差與2項相對導軌安裝面的平行度誤差。在試驗持續的時間內，共采集40組數據。測量系統誤差主要由兩個部分組成，重復性誤差與再現性誤差。重復性誤差的產生是由測量設備本身的固有波動引起，而再現性誤差主要與評價人員、評價方法、測量地點、使用條件和測量時間等相關。使用Minitab軟件分別繪制6項幾何誤差的單值移動極差控制圖（I-MRChart），以C平面直線度誤差控制圖為例（其他5項幾何誤差的單值移動極差圖與此圖類似），C平面直線度誤差控制圖如圖1所示。

結束語

綜上所述，本文提出了一種新的機床導軌安裝面直線度誤差測量系統，詳細介紹了其測量原理，闡述了測量系統的組成和運行機制，概述了測量系統的機械結構、數據采集硬件以及數據處理軟件等部分，通過實驗驗證了本系統的可行性和準確性。通過與現有的高精度光電自準直儀進行對比，本文開發的測量系統測量結果與自準直儀測量精度相當，但在測量效率方面有明顯提升，能更加高效、快速地完成多項幾何誤差測量。

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（作者單位：齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司）