高級職稱論文

1、巧用激光干涉儀提高 U5 龍門加工中心精度XXX常德煙草機械有限責任公司摘 要：為了解決U5龍門加工中心的加工精度誤差過大的問題，通過正確選擇熱膨脹系數(shù)，對該數(shù)控機床的定位誤差及反向間隙進行補償，大幅度提高了該數(shù)控機床的加工精度。關(guān)鍵詞：激光干涉；數(shù)控機床；定位誤差；誤差補償；加工精度異常一、引言隨著數(shù)控機床在機械制造中已得到廣泛的應(yīng)用，機床加工精度的要求越來越高，精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷提高， 對數(shù)控機床的精度提出了更高的要求。如果完全靠提高零部件制造精度和機床裝配精度的傳統(tǒng)方法來提高精度數(shù)控機床，勢必大幅度提高機床的成本，在有些情況下甚至不可能，而數(shù)控機床誤差補償技術(shù)可以

2、消除或減少數(shù)控機床的誤差源, 是提高數(shù)控機床加工精度的有效途徑 . 其內(nèi)容包括誤差檢測、誤差分析和誤差補償。本文就是基于上述思想，通過常德煙草機械有限責任公司2010 年 1 月引進的一臺美國辛辛那提U5龍門加工中心為例，在廠家調(diào)試人員多次調(diào)試未果的情況下，本人結(jié)合自身多年維修經(jīng)驗，通過誤差補償系統(tǒng)對數(shù)控機床進行檢測和補償，顯著地提高數(shù)控機床的精度，使其工作于最佳精度狀態(tài)，從而確保數(shù)控機床的加工質(zhì)量。二、設(shè)備故障現(xiàn)象美國辛辛那提U5龍門加工中心在廠家工作人員調(diào)試后，于 8月 正式交車投入使用。然而 U5在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)加工精度超差 的現(xiàn)象，尤其在加工主墻板的過程中更為嚴重?，F(xiàn)象表現(xiàn)為：主

3、墻板X軸方向孔定位精度最高要求為 0.0175mm實際測量結(jié)果圓4、圓51等誤差都接近0.04mm， 加工的8 件主墻板中僅2件基本合格, 致使 U5龍門加工中心在交車后一直無法正常生產(chǎn)。美國辛辛那提 U5龍門加工中心引進價格為228萬美元， 折合人民幣228*7.5=1710 萬元 , 按十年折舊計算，一年225個工作日，每日折舊7600元。由于U5無法進行正常的精度加工，設(shè)備根本不能正常生產(chǎn)，僅停工引起的折舊損失費每天就為7600 元，還不包括設(shè)備功能正常發(fā)揮以及零件報廢的重大損失。這個問題一直是公司的一個心病。三、故障分析由于U5龍門加工中心在加工零件時出現(xiàn)精度超差的現(xiàn)象，這個問題一直困

4、擾公司大型精密零件加工工作。本人對精密零件加工超差的原因進行認真分析，結(jié)合自身多年維修經(jīng)驗，初步認為反向間隙、定位誤差、重復定位誤差、熱膨脹系數(shù)是影響U5龍門加工中心加工精度、產(chǎn)生加工誤差的主要因素，并確定為重點攻關(guān)目標，通過逐一進行排查，確定故障點。本人認為消除或減少U5龍門加工中心的誤差源，必須對機床誤差進行補償。但 U5龍門加工中心是廠家工作人員不久前調(diào)試好的設(shè)備，從理論上說機床反向間隙、定位誤差、重復定位誤差應(yīng)該都是最小的。溫度變化雖然對精密加工有影響，但不應(yīng)該是主要因素。經(jīng)過多次摸索，發(fā)現(xiàn)機床誤差補償效果好壞在很大程度上取決于綜合誤差測量結(jié)果的準確性。首要任務(wù)是對數(shù)控機床測量數(shù)據(jù)的誤

5、差和測量過程的誤差進行分析并判斷其結(jié)果的準確性。1 、測量數(shù)據(jù)的誤差分析同一臺機床，由于采用的標準不同，所得到的反向間隙、定位精度也不相同。因此在對測量數(shù)據(jù)的進行誤差分析時，也要注意它所采用的標準。目前數(shù)控機床位置精度的誤差分析通常采用國際標準ISO230-2、國家標準 B10931-89、德國標準 VDI3441、日本 JIS B6336等。根據(jù)我公司和機床生產(chǎn)商的技術(shù)協(xié)議，U5 龍門加工中心采用VDI/DGQ344標準。2、測量過程的誤差分析用激光干涉儀檢驗U5龍門加工中心精度的測量過程誤差主要來源：1 ）傳感器造成的誤差，激光干涉儀的氣溫、相對濕度傳感器已盡量靠近激光束的測量路徑傳感器沒

6、有接近馬達等局部性熱源或是冷氣流。故傳感器不是誤差的主要來源。2）安裝造成的誤差，主要是由測量軸線與機床移動的軸線不平行而引起的誤差，如余弦誤差、阿貝測量誤差等，在安裝鏡組時，考慮了光束附近的空氣擾動。避免將鏡組或激光束放得太靠近任何局部性熱源。故安裝不是誤差的主要來源。3）溫度造成的誤差，在各項測量誤差中，溫度誤差對測量結(jié)果的準確性影響最大，所以為了保證測量結(jié)果的準確性，測量環(huán)境溫度應(yīng)盡量滿足20± 5，且進行測量時溫度變化應(yīng)小于±0.2 /h ，測量前應(yīng)使機床等溫12h 以上。故溫度可能是誤差的來源。4）熱膨脹系數(shù)造成的誤差，此誤差大小取決于U5龍門加工中心光柵尺的熱膨

7、脹系數(shù)。當測量時熱膨脹系數(shù)設(shè)置為1 時， 反向間隙、定位誤差、重復定位誤差都很小，但設(shè)備在加工零件時出現(xiàn)精度超差的現(xiàn)象。本人考慮U5龍門加工中心光柵尺為鋼帶，從理論上應(yīng)設(shè)置為 11.7, 而且測量出的定位誤差、重復定位誤差都很大, 最大有0.11mm, 這和加工主墻板的過程中, 精度超差的狀況大致吻合, 故熱膨脹系數(shù)可能是誤差的來源。經(jīng)過以上分析, 在盡量消除溫度誤差對測量結(jié)果的影響下, 可以判斷產(chǎn)生機床精密加工超差的原因為一是熱膨脹系數(shù)選擇不正確，二是由此產(chǎn)生的絲桿傳動的反向間隙、定位誤差是影響數(shù)控機床加工精度、產(chǎn)生加工誤差的主要因素，因此，認為要做好兩方面的工作，一是正確選擇熱膨脹系數(shù)，二

8、是對機床的反向間隙、定位精度進行檢測和補償是保證加工質(zhì)量的有效途徑。四、問題的解決機床的定位精度是指所測量的機床運動部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運動所能達到的位置精度，是數(shù)控機床有別于普通機床的一項重要精 度，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產(chǎn)生重要的影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。而U5龍門加工中心在加工過程中主要是孔距差，問題的解決應(yīng)在盡量消除溫度誤差對測量 結(jié)果的影響下，選擇正確熱膨脹系數(shù)，提高機床加工精度的內(nèi)容包括 誤差檢測、誤差分析和誤差補償。1、熱膨脹系數(shù)選擇對機床進行螺距補償時，我們采用雷尼紹公司的激光干涉儀作為 直線長度標準，該激光干涉儀的熱膨脹系數(shù)初始值為1 乂

9、 10-6/ C ,而U5龍門加工中心精度的測量過程中設(shè)置熱膨脹系數(shù)為11.71 X10-6/ C。所謂熱膨脹系數(shù)是通常指線膨脹系數(shù)，表示溫度每變化1 C材料長度變化的百分率，則溫度變化時材料的伸長量刈可表示為式(1)：L = L0 M 0flM &(1)式中：叫為線膨脹系數(shù)Lo為材料初始長度事為溫度變化量以U5加工的主墻板為例，該墻板材料為 45,長度為1700mm加 工過程中溫度變化2C,根據(jù)45材料性質(zhì)，在20100c間其熱膨脹系數(shù)為11.75 X 10-6/ C ,則在加工過程中主墻板的伸長量和干涉儀的伸長量Ab分別為：AL1 =1700x11.75x10葭 2 =0.0398

10、mmAL1 = 1700x 1 x10-6 x2 = 0.0034mm由式（2）式（3）可見，由于激光干涉儀的熱膨脹系數(shù)選擇不合 理，造成主墻板加工過程的最大誤差約 0.036mm已超過墻板0.02mm 的誤差要求。這也驗證了最初判斷。由上訴分析可知，激光干涉儀在 校準機床時，其熱膨脹系數(shù)選擇對加工精度影響很大，根據(jù)主墻板的熱膨脹系數(shù)，將激光干涉儀的熱膨脹系數(shù)設(shè)置為和主墻板的一樣，這 樣從理論上可以消除誤差。絲桿傳動存在螺距誤差是加工中心不可避免的誤差， 一般由三個 方面原因造成：一是機床絲杠本身螺距累計誤差造成， 是絲桿制造過 程中不可避免的誤差；二是機床絲杠的裝配方式為雙支撐結(jié)構(gòu)， 使絲

11、杠軸向拉長而產(chǎn)生螺距誤差；三是在機床裝配過程中，由于絲杠軸線 與機床導軌平面間的平行度誤差而造成 X軸向的加工誤差。2、定位精度的補償所謂補償就是指通過特定方法對機床的控制參數(shù)進行調(diào)整，其參數(shù)調(diào)整方法也依各數(shù)控系統(tǒng)不同而各有差異。所以對數(shù)控機床的定位 精度進行檢測和補償是保證加工質(zhì)量的必要途徑。螺距誤差補償這項工作應(yīng)該是在機床幾何精度（床身水平、平行度、垂直度等）調(diào)整完成 后進行的，這樣可以盡量減少幾何精度對定位精度的影響。 機床的螺 距誤差線性補償功能。另外，螺距誤差補償功能的實現(xiàn)方法有增量方 式。所謂增量方式是指以被補償軸上相領(lǐng)兩上補償點間的誤差差值為 依據(jù)來進行補償，而絕對方式是指以被補

12、償軸上各個補償點的相對零 點的絕對誤差值為依據(jù)來進行補償。，如前所述，絲桿螺距誤差是無 法避免的，但可以通過激光干涉儀檢測出 U5的螺距誤差，進行螺距誤差補償，該方法對數(shù)控機床進行定位精度檢測來說， 是目前公認的高效、高精度的檢測方法。-no-制-90W糜椅500 I呵 1剛機器氣稱出企口力口工中心TH. " J系列號：刑星位置：臼期二14二年2 Nov 03於文忤名:U3-3f-2aiO. 11. 3-X試臉在;謝常起維所肓數(shù)據(jù)曲線一線建圖1未補償前精度誤差示意圖就U5加工中心而言，X軸方向全行程為4000mm每100mmX 個檢測點，采用交車后的螺距誤差補償，其直線精度誤差如圖1

13、所示。 由圖1可知，精度誤差范圍為0, 0.4mm,顯然不能滿足主墻板的精度要求。圖2螺距誤差補償示意圖使用激光干涉儀對機床進行螺距誤差補償， 如圖2所示。其補償 原理為激光干涉儀發(fā)射器與反射裝置的間距為標準值，在機床X軸運動過程中，通過工作臺在機械坐標系移動的距離和標準值進行對比以 確定絲桿的螺距誤差，并通過對螺距誤差的分析計算得出誤差補償文 件，將該誤差補償文件存放到數(shù)控系統(tǒng)中，從而提高機床的精度。如圖2所示，4000mm的行程取40個點，則在機床主軸運動過 程中，其螺距誤差值會自動存入激光干涉儀中， 對產(chǎn)生的誤差進行分 析，并給下列參數(shù)賦值：MD38000 = 40 （設(shè)置最大補償點數(shù)）

14、MD32700 = 0 （補償文件可寫入，1表示補償文件保護）$AN_CEC0,0=0 $AN_CEC0,1 =0.001$AN_CEC0,2 尸0.001$AN_CEC0,40=0.100 $AN_CEC_STEP0=10O$AN_CEC_MIN0=O$AN_CEC_MAX0=400O$AN_CEC_DIRECTION0=1$AN_CEC1,0=0.000 $AN_CEC1,1=0.001 （ 使用正反向雙向補償?shù)姆椒?，輸入機床X 軸每一個補償點的補償數(shù)據(jù)。 ）MD32700 = 1最后返回參考點，補償值生效，將產(chǎn)生的補償文件存入數(shù)控系統(tǒng)中，補償后X軸方向的精度誤差圖如圖3所示。分析圖 3 可知，經(jīng)過補償后，其誤差范圍在-0.01mm， 0.01mm間，完全滿足主墻板的加工要求。嘲做:US-2CK1.11. n不利耳；Bn：ia ii w暖者:謝柴擔五、應(yīng)用效果通過本人的不懈努力，對機床故障原因進行了分析和改進。 從理 論分析來看，該種改進措施能滿足主墻板的加工要求， 也證明了最初 的判斷是正確的。改進后的U5龍門加工中心，在加工主墻板過程中，根據(jù)工藝員 和操作者的跟蹤觀察，加工精度可達到0.015mm且合格率達100%。