立式加工中心誤差分析研究

陳紅海

摘? 要：后現(xiàn)代工業(yè)時代的來臨，促使機械制造行業(yè)不斷向高精度、自動化、智能化發(fā)展。數(shù)控機床作為制造加工的中堅力量，其加工精度的提升是我國制造業(yè)振興、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵所在。本文將以立式加工中心VMC850B為例，通過綜合誤差建模，關(guān)鍵誤差識別等，分析機床各部件誤差對于機床加工精度的影響，以便為實際生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵部件精度的監(jiān)督與管理提供一定參考。

關(guān)鍵詞：立式加工中心? 綜合誤差模型? 關(guān)鍵部件誤差分析? 貢獻(xiàn)度分析

1? 立式加工中心綜合誤差模型

以代表性三軸數(shù)控機床VMC850B為例，綜合誤差模型的構(gòu)建可分為3步：第一，基于坐標(biāo)系與運動鏈的基礎(chǔ)上，對部件誤差進(jìn)行分析;第二，引入齊次坐標(biāo)，創(chuàng)建轉(zhuǎn)換矩陣;第三，分析工件與刀具的兩坐標(biāo)系之間的聯(lián)系。

1.1 建立坐標(biāo)系與運用鏈

1.2 齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣

同樣的，當(dāng)部件誤差存在的情況下，假設(shè)Y軸方向位移為y，Z軸方向位移為z，那么可以得到Y(jié)CS到MCS、MCS到ZCS的運動轉(zhuǎn)換矩陣。由于篇幅有限，這里將不在贅述。

從理論上來講，主軸S與刀具T之間、工件W與X軸之間均不存在相對運動，因此，對應(yīng)的運動轉(zhuǎn)換矩陣可當(dāng)做是單位矩陣，即SCS到TCS的運動矩陣、WCS到XCS的運動矩陣均為1。同時，主軸S和Z軸之間的旋轉(zhuǎn)角在定位上無嚴(yán)格要求，在室溫環(huán)境下，ZCS到SCS的運動矩陣也可以視為是單位矩陣。

1.3 綜合誤差模型求解

2? 機床誤差分析

2.1 誤差靈敏度

立式機床的空間誤差是由部件誤差以及位置誤差共同作用下的產(chǎn)物，即△δ=（G，U）。根據(jù)公式（2），可獲得機床空間位置誤差相對于21項部件誤差的敏度，即S=?F/?G。

所謂誤差靈敏度就是指各項部件誤差的細(xì)微改變對加床空間位置誤差的作用。部件誤差的靈敏度系數(shù)可表示為：Smi（m=x，y，z;i=1，2，3，4，5···，21）。

2.2 關(guān)鍵部件誤差分析

關(guān)鍵部件誤差判定應(yīng)以部件誤差靈敏度為基礎(chǔ)。同時，還要從全局角度出發(fā)，將機床位置與部件誤差靈敏度之間的關(guān)系納入綜合考量范圍，對靈敏度系數(shù)進(jìn)行積分處理。

在機床運作的過程中，部件誤差對加工精度的影響因素，除了誤差靈敏度系數(shù)外，還與部件誤差的高低息息相關(guān)。因此，在分析立式加工中心誤差時，還應(yīng)全面掌握各部件誤差的實際數(shù)值。以關(guān)鍵部件誤差為例，應(yīng)確保角度量、長度量的平衡保持一致，并對其展開歸一化以及無量綱化處理，從而分析各部件誤差對于立式機床整體加工精度的影響比重，即誤差貢獻(xiàn)度。誤差貢獻(xiàn)度越大的部件誤差，越能影響機床的整體加工精度。該部件誤差將被視為關(guān)鍵部件誤差，應(yīng)作為實際生產(chǎn)的關(guān)注要點。

3? 機床部件誤差貢獻(xiàn)度評估

本文將取立式加工中心VMC850B的三維坐標(biāo)X、Y、Z的工作范圍分別為800mm、500mm、500mm。對10臺樣機進(jìn)行部件誤差測量，并取其平均值作為誤差貢獻(xiàn)度評估的基礎(chǔ)。具體數(shù)據(jù)詳見表1。

由上可知，在X軸方向的誤差貢獻(xiàn)度較大的部件誤差主要有δxx、δxz、δyz、Sxy、Sxz，這5項因素對機床空間誤差的影響比重約為79.3%;在Y軸方向的誤差貢獻(xiàn)度較大的部件誤差主要有Syz、δyy、δyx、δyz，這4項影響因素對機床床空間誤差的影響比重約為88.3%;而在Z軸方向的誤差貢獻(xiàn)度較大的部件誤差主要有δzz、δzx、δzy，這3項影響因素對機床床空間誤差的影響比重約為91.8%。

4? 結(jié)語

立式加工中心VMC850B在Y軸與Z軸方向的運動選用的是半閉環(huán)控制系統(tǒng)，即旋轉(zhuǎn)編碼器定位、絲杠傳遞。其空間位置誤差的關(guān)鍵定位誤差影響因素有δxx、δyy、δzz這3項，關(guān)鍵直線度誤差有δxy、δxz、δyx、δyz、δzx、δzy這6項;角偏差的誤差貢獻(xiàn)度不高;部件定位精度的對空間位置誤差影響較大的有Sxy、Sxz、Syz這3項。工作人員在實際生產(chǎn)過程中，要對這些關(guān)鍵部件誤差因素多加關(guān)注，并采取必要補償措施，以保證立式加工中心的加工精度，滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 范晉偉.復(fù)合數(shù)控機床幾何誤差建模及靈敏度分析[J].制造技術(shù)與機床，2017（3）：69-73.

[2] 范開國.數(shù)控機床多誤差元素綜合補償及應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

[3] 余為洲，周俊榮，馬毅，等.立式加工中心主軸熱誤差的實驗與分析[J].內(nèi)燃機與配件，2019（16）：153-155.