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技術(shù)文章

機(jī)床精度的選擇

閱讀:452          發(fā)布時(shí)間:2012-11-29


 

 

  典型零件的關(guān)鍵部位加工精度要求決定了選擇數(shù)控機(jī)床的精度等級(jí)。數(shù)控機(jī)床根據(jù)用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等,其能達(dá)到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用于一部分車床和銑床,其zui小運(yùn)動(dòng)分辯率為0.01mm,運(yùn)動(dòng)精度和加工精度都在(0.03~0.05)mm以上。超精密型用于特殊加工,其精度可達(dá)0.001mm以下。這里主要討論應(yīng)用zui多的全功能數(shù)控機(jī)床(以加工中心為主)。  

  按精度可分為普通型和精密型,一般數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)項(xiàng)目都有20~30項(xiàng),但其zui有特征項(xiàng)目是:單軸定位精度、單軸重復(fù)定位精度和兩軸以上聯(lián)動(dòng)加工出試件的圓度,如表1所示。 

表1 數(shù)控機(jī)床精度特征項(xiàng)目

  其他精度項(xiàng)目與表1內(nèi)容都有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了該軸各運(yùn)動(dòng)部件的綜合精度。尤其是重復(fù)定位精度,它反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)的定位穩(wěn)定性,這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補(bǔ)償功能,能對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償。例如,傳動(dòng)鏈各環(huán)節(jié)的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素,它們往往隨著工作臺(tái)的負(fù)載大小、移動(dòng)距離長短、移動(dòng)定位速度的快慢等反映出不同的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)量。在一些開環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中,測(cè)量元件以后的機(jī)械驅(qū)動(dòng)元件,受各種偶然因素影響,也有相當(dāng)大的隨機(jī)誤差影響,如滾珠絲杠熱伸長引起的工作臺(tái)實(shí)際定位位置漂移等。總之,如果能選擇,那么就選重復(fù)定位精度的設(shè)備!

  銑削圓柱面精度或銑削空間螺旋槽(螺紋)是綜合評(píng)價(jià)該機(jī)床有關(guān)數(shù)控軸(兩軸或三軸)伺服跟隨運(yùn)動(dòng)特性和數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能的指標(biāo),評(píng)價(jià)方法是測(cè)量加工出圓柱面的圓度。在數(shù)控機(jī)床試切件中還有銑斜方形四邊加工法,也可判斷兩個(gè)可控軸在直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度。在做這項(xiàng)試切時(shí),把用于精加工的立銑刀裝到機(jī)床主軸上,銑削放置在工作臺(tái)上的圓形試件,對(duì)中小型機(jī)床圓形試件一般取在Ф200~Ф300,然后把切完的試件放到圓度儀上,測(cè)出其加工表面的圓度。銑出圓柱面上有明顯銑刀振紋反映該機(jī)床插補(bǔ)速度不穩(wěn)定;銑出的圓度有明顯橢圓誤差,反映插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)可控軸系統(tǒng)增益不匹配;在圓形表面上每一可控軸運(yùn)動(dòng)換方向的點(diǎn)位上有停刀點(diǎn)痕跡(在連續(xù)切削運(yùn)動(dòng)中,在某一位置停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)刀具就會(huì)在加工表面上形成一小段多切去金屬的痕跡)時(shí),反映該軸正反向間隙沒有調(diào)整好。

  單軸定位精度是指在該軸行程內(nèi)任意一個(gè)點(diǎn)定位時(shí)的誤差范圍,它直接反映了機(jī)床的加工精度能力,所以是數(shù)控機(jī)床zui關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。目前*各國對(duì)這指標(biāo)的規(guī)定、定義、測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理等有所不同,在各類數(shù)控機(jī)床樣本資料介紹中,常用的標(biāo)準(zhǔn)有美國標(biāo)準(zhǔn)(NAS)和美國機(jī)床制造商協(xié)會(huì)推薦標(biāo)準(zhǔn)、德國標(biāo)準(zhǔn)(VDI)、日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定zui低的是日本標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樗臏y(cè)量方法是使用單組穩(wěn)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),然后又取出用±值把誤差值壓縮一半,所以用它的測(cè)量方法測(cè)出的定位精度往往比用其他標(biāo)準(zhǔn)測(cè)出的相差一倍以上。

  其他幾種標(biāo)準(zhǔn)盡管處理數(shù)據(jù)上有所區(qū)別,但都反映了要按誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律來分析測(cè)量定位精度,即對(duì)數(shù)控機(jī)床某一可控軸行程中某一個(gè)定位點(diǎn)誤差,應(yīng)該反映出該點(diǎn)在以后機(jī)床長期使用中成千上萬次在此定位的誤差,而我們?cè)跍y(cè)量時(shí)只能測(cè)量有限次數(shù)(一般5~7次)。為了真實(shí)反映這個(gè)定位點(diǎn)周圍一組隨機(jī)分散的點(diǎn)群定位誤差分布范圍,我們采用了誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律數(shù)據(jù)處理方法。例如,按老的ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦±3σ散差處理辦法,我們來測(cè)量一臺(tái)加工中心機(jī)床上某一個(gè)坐標(biāo)精度,如圖1所示。

圖1 定位精度曲線

  若我們對(duì)其中的某一定位點(diǎn)在正、反方向趨近該定位點(diǎn),定位七次(N=7),其每一次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下:+4μm、+2μm、+1μm、0、-1μm、-2μm、-4μm。按ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,該定位點(diǎn)散差的平均值為△Xn=0,其散差3σ約為7.9μm。該點(diǎn)定位誤差分布如圖2所示。

圖2 定位誤差分布范圍

   圖2顯示,在該定位點(diǎn)上,當(dāng)正反方向反復(fù)定位時(shí),將有99.96%的可能性在±3σ=15.8μm范圍以內(nèi)。在德國VDI標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)規(guī)定5σ,將得到比這更大的誤差。因此,這一重復(fù)定位精度為15.8μm。從1998年以來,上開始試運(yùn)行新標(biāo)準(zhǔn),按4σ處理將得到重復(fù)定位精度為10.5μm,但該算法反映了95%左右定位點(diǎn)范圍。按日本JIS標(biāo)準(zhǔn)處理上述情況,將得到重復(fù)定位精度為±4μm。從這里看出,JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定精度是zui松的,而VDI標(biāo)準(zhǔn)要求zui為嚴(yán)格。

  圖1所示的定位精度曲線,實(shí)際上是用整個(gè)行程內(nèi)一連串定位點(diǎn)的定位誤差包絡(luò)線構(gòu)成全程定位精度范圍。現(xiàn)在針對(duì)數(shù)控機(jī)床,測(cè)量定位精度和重復(fù)定位精度一般都用激光測(cè)距儀,編制一個(gè)測(cè)量運(yùn)動(dòng)程序,讓機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件每間隔(50~100)mm移動(dòng)一個(gè)點(diǎn),往復(fù)運(yùn)動(dòng)5~7次,與測(cè)距儀相連的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件就會(huì)處理出各標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果。

  從機(jī)床定位精度可估算出該機(jī)床加工時(shí)可能達(dá)到的精度,如在單軸上移動(dòng)加工兩個(gè)孔的孔距精度約為單軸在該段定位誤差的1~2倍(具體誤差值與工藝因素密切相關(guān))。機(jī)床的定位精度與該機(jī)床的幾何精度相匹配,精密級(jí)定位精度的機(jī)床要求該機(jī)床的幾何精度也不能低于同類的坐標(biāo)鏜床。

  現(xiàn)在有一些用戶對(duì)批量生產(chǎn)的典型零件加工,提出設(shè)備工藝能力系數(shù)的考核,要求CPK值>1.1~1.33,這實(shí)質(zhì)上是要求機(jī)床精度相對(duì)零件精度允差要有足夠精度儲(chǔ)備,這樣才能滿足批量生產(chǎn)加工精度穩(wěn)定性要求。

  對(duì)定位精度要求較高的機(jī)床,必須關(guān)注它的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是采用半閉環(huán)方式,還是全閉環(huán)方式,必須關(guān)注使用檢測(cè)元件的精度及穩(wěn)定性。機(jī)床采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的精度穩(wěn)定性要受到一些外界因素影響,例如,傳動(dòng)鏈中因工作溫度變化引起滾珠絲杠長度變化,這必然使工作臺(tái)實(shí)際定位位置產(chǎn)生漂移影響,進(jìn)而影響加工件的加工精度。圖3是目前常用的進(jìn)給傳動(dòng)鏈的一般結(jié)構(gòu)。在半閉環(huán)控制方式下,位置檢測(cè)元件放在伺服電機(jī)另一端。滾珠絲杠軸向位置主要靠一端固定,另一端可以自由伸長,當(dāng)絲杠伸長時(shí)工作臺(tái)就一個(gè)附加移動(dòng)量。在一些新型中小數(shù)控機(jī)床上,采用減小導(dǎo)軌負(fù)荷(用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌)、提高絲杠制造精度、絲杠兩端加預(yù)拉伸和絲杠中心通恒溫油冷卻等措施,在半閉環(huán)系統(tǒng)中也得到了較穩(wěn)定的定位精度。

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