高级职称论文

巧用激光干涉仪 ――提高 U5 龙门加工中心精度 XXX 常德烟草机械有限责任公司 摘 要:为了解决 U5 龙门加工中心的加工精度误差过大的问题， 通过正确选择热膨胀系数，对该数控机床的定位误差及 反向间隙进行补偿，大幅度提高了该数控机床的加工精 度。 关键词:激光干涉;数控机床;定位误差;误差补偿;加工精度 异常 一、引言 随着数控机床在机械制造中已得到广泛的应用， 机床加工精度的 要求越来越高，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提 高，对数控机床的精度提出了更高的要求。如果完全靠提高零部件制 造精度和机床装配精度的传统方法来提高精度数控机床， 势必大幅度 提高机床的成本，在有些情况下甚至不可能，而数控机床误差补偿技 术可以消除或减少数控机床的误差源,是提高数控机床加工精度的有 效途径.其内容包括误差检测、误差分析和误差补偿。本文就是基于 上述思想，通过常德烟草机械有限责任 1 公司 2010 年 1 月引进的一台 美国辛辛那提 U5 龙门加工中心为例，在厂家调试人员多次调试未果 1 2 的情况下，本人结合自身多年维修经验，通过误差补偿系统对数控机 床进行检测和补偿，显著地提高数控机床的精度，使其工作于最佳精 度状态，从而确保数控机床的加工质量。 二、设备故障现象 美国辛辛那提 U5 龙门加工中心在厂家工作人员调试后，于 8 月 正式交车投入使用。然而 U5 在使用过程中，经常出现加工精度超差 的现象，尤其在加工主墙板的过程中更为严重。现象表现为:主墙板 X 轴方向孔定位精度最高要求为 0.0175mm，实际测量结果圆 4、圆 51 等误差都接近 0.04mm， 加工的 8 件主墙板中仅 2 件基本合格,致使 U5 龙门加工中心在交车后一直无法正常生产。美国辛辛那提 U5 龙门加 工中心引进价格为 228 万美元， 折合人民币 228*7.5=1710 万元,按十 年折旧计算,一年 225 个工作日,每日折旧 7600 元。 由于 U5 无法进行 正常的精度加工，设备根本不能正常生产，仅停工引起的折旧损失费 每天就为 7600 元，还不包括设备功能正常发挥以及零件报废的重大 损失。这个问题一直是公司的一个心病。 三、故障分析 由于 U5 龙门加工中心在加工零件时出现精度超差的现象，这个 问题一直困扰公司大型精密零件加工工作。 本人对精密零件加工超差 的原因进行认真分析，结合自身多年维修经验，初步认为反向间隙、 定位误差、重复定位误差、热膨胀系数是影响 U5 龙门加工中心加工 精度、产生加工误差的主要因素，并确定为重点攻关目标，通 3 过逐一 2 4 进行排查，确定故障点。本人认为消除或减少 U5 龙门加工中心 的误 差源，必须对机床误差进行补偿。但 U5 龙门加工中心是厂家工作人 员不久前调试好的设备，从理论上说机床反向间隙、定位误差、重复 定位误差应该都是最小的。温度变化虽然对精密加工有影响，但不应 该是主要因素。经过多次摸索，发现机床误差补偿效果好坏在很大程 度上取决于综合误差测量结果的准确性。 首要任务是对数控机床测量 数据的误差和测量过程的误差进行分析并判断其结果的准确性。 1、测量数据的误差分析 同一台机床，由于采用的标准不同，所得到的反向间隙、定位精 度也不相同。因此在对测量数据的进行误差分析时，也要注意它所采 用的标准。目前数控机床位置精度的误差分析通常采用国际标准 ISO230-2、国家标准 B10931-89、德国标准 VDI3441、日本 JIS B6336 等。根据我公司和机床生产商的技术， U5 龙门加工中心采用 VDI/DGQ3441 标准。 2、测量过程的误差分析 用激光干涉仪检验 U5 龙门加工中心精度的测量过程误差主要来 源: 1)传感器造成的误差，激光干涉仪的气温、相对湿度传感器已 尽量靠近激光束的测量路径传感器没有接近马达等局部性热源或是 冷气流。故传感器不是误差的主要来源。 2)安装造成的误差，主要是由测量轴线与机床移动的轴线不平 行而引起的误差，如余弦误差、 5 阿贝测量误差等，在安装镜组时，考 3 6 虑了光束附近的空气扰动。 避免将镜组或激光束放得太靠近任何局部 性热源。故安装不是误差的主要来源。 3)温度造成的误差，在各项测量误差中，温度误差对测量结果 的准确性影响最大，所以为了保证测量结果的准确性，测量环境温度 应尽量满足 20?5?，且进行测量时温度变化应小于?0.2?/h，测 量前应使机床等温 12h 以上。故温度可能是误差的来源。 4)热膨胀系数造成的误差，此误差大小取决于 U5 龙门加工中 心光栅尺的热膨胀系数。 当测量时热膨胀系数设置为 1 时， 反向间隙、 定位误差、重复定位误差都很小，但设备在加工零件时出现精度超差 的现象。本人考虑 U5 龙门加工中心光栅尺为钢带，从理论上应设置 为 11.7, 而且测量出的定位误差、重复定位 误差都很大 , 最大有 0.11mm, 这和加工主墙板的过程中,精度超差的状况大致吻合 ,故热 膨胀系数可能是误差的来源。 经过以上分析, 在尽量消除温度误差对测量结果的影响下,可以 判断产生机床精密加工超差的原因为一是热膨胀系数选择不正确， 二 是由此产生的丝杆传动的反向间隙、 定位误差是影响数控机床加工精 度、产生加工误差的主要因素，因此，认为要做好两方面的工作，一 是正确选择热膨胀系数，二是对机床的 反向间隙、定位精度进行检测 和补偿是保证加工质量的有效途径。 7 四、问题的解决 机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控 制下 4 8 运动所能达到的位置精度， 是数控机床有别于普通机床的一项重要精 度，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其 对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。而 U5 龙门加工中心在 加工过程中主要是孔距差， 问题的解决应在尽量消除温度误差对测量 结果的影响下,选择正确热膨胀系数，提高机床加工精度的内容包括 误差检测、误差分析和误差补偿。 1、热膨胀系数选择 对机床进行螺距补偿时， 我们采用雷尼绍公司的激光干涉仪作为 直线长度标准，该激光干涉仪的热膨胀系数初始值为 1×10-6/?，而 U5 龙门加工中心精度的测量过程中设置热膨胀系数为 11.71 × 10-6/?。所谓热膨胀系数是通常指线膨胀系数，表示温度每变化 1? 材料长度变化的百分率，则温度变化时材料的伸长量 L 可表示为 式( 1) : L L0 1 t (1) 式中: 1 为线膨胀系数 L0 为材料初始长度 t 为温度变化量 9 以 U5 加工的主墙板为例，该墙板材料为 45，长度为 1700mm，加 工过程中温度变化 2?，根据 45 材料性质，在 20,100?间其热膨胀 5 10 系数为 11.75×10-6/?，则在加工过程中主墙板的伸长量 L1 和干涉 仪的伸长量 L2 分别为: L1 1700 11.75 10～6 2 0.0398 mm L1 1700 1 10～6 2 0.0034 mm (2) (3) 由式(2)式(3)可见，由于激光干涉仪的热膨胀系数选择不合 理，造成主墙板加工过程的最大误差约 0.036mm，已超过墙板 0.02mm 的误差要求。这也验证了最初判断。由上诉分析可知，激光干涉仪在 校准机床时，其热膨胀系数选择对加工精度影响很大，根据主墙板的 热膨胀系数，将激光干涉仪的热膨胀系数设置为和主墙板的一样，这 样从理论上可以消除误差。 丝杆传动存在螺距误差是加工中心不可避免的误差， 一般由三个 方面原因造成:一是机床丝杠本身螺距累计误差造成，是丝杆制造过 程中不可避免的误差;二是机床丝杠的装配方式为双支撑结构，使丝 杠轴向拉长而产生螺距误差;三是在机床装配过程中，由于丝杠轴线 与机床导轨平面间的平行度误差而造成 X 轴向的加工误差。 2、定位精度的补偿 所谓补偿就是指通过特定方法对机床的控制参数进行调整， 其参 数调整方法也依各数控系统不同而各有差异。 所以对数控机床的定位 精度进 11 行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。 螺距误差补偿这项 6 12 工作应该是在机床几何精度(床身水平、平行度、垂直度 等)调整完成 后进行的，这样可以尽量减少几何精度对定位精度的影响。机床的螺 距误差线性补偿功能。另外，螺距误差补偿功能的实现方法有增量方 式。 所谓增量方式是指以被补偿轴上相领两上补偿点间的误差差值为 依据来进行补偿， 而绝对方式是指以被补偿轴上各个补偿点的相对零 点的绝对误差值为依据来进行补偿。，如前所述，丝杆螺距误差是无 法避免的，但可以通过激光干涉仪检测出 U5 的螺距误差，进行螺距 误差补偿，该方法对数控机床进行定位精度检测来说，是目前公认的 高效、高精度的检测方法。 图 1 未补偿前精度误差示意图 就 U5 加工中心而言，X 轴方向全行程为 4000mm，每 100mm 取一 个检测点， 采用交车后的螺距误差补偿， 其直线精度误差如图 1 所示。 由图 1 可知，精度误差范围为[0，0.4mm]，显然不能满足主墙板的精 7 13 度要求。 激光干涉 仪发射器 机床主轴 反射装置 图 2 螺距误差补偿示意图 使用激光干涉仪对机床进行螺距误差补偿，如图 2 所示。其补偿 原理为激光干涉仪发射器与反射装置的间距为标准值， 在机床 X 轴运 动过程中， 通过工作台在机械坐标系移动的距离和标准值进行对比以 确定丝杆的螺距误差， 并通过对螺距误差的分析计算得出误差补偿文 件，将该误差补偿文件存放到数控系统中，从而提高机床的精度。 如图 2 所示， 4000mm 的行程取 40 个点，则在机床主轴运动过 程中，其螺距误差值会自动存入激光干涉仪中，对产生的误差进行分 析，并给下列参数赋值: MD38000 = 40 (设置最大补偿点数) MD32700 = 0 (补偿文件可写入，1 表示补偿文件保护) $AN_CEC[0,0]=0, $AN_CEC[0,,]=0.001, 8 14 15 $AN_CEC[0,,]=0.001, …… $AN_CEC[0,40]=0.100, $AN_CEC_STEP[0]=100, $AN_CEC_MIN[0]=0, $AN_CEC_MAX[0]=4000, $AN_CEC_DIRECTION[0]=1, $AN_CEC[1,0]=0.000, $AN_CEC[1,1]=0.001, (使用正反向双向补偿的方法，输入机床 X 轴每一个补偿点的补 偿数据。) MD32700 = 1 最后返回参考点，补偿值生效，将产生的补偿文件存入数控系统 中，补偿后 X 轴方向的精度误差图如图 3 所示。 分析图 3 可知，经过补偿后，其误差范围在[-0.01mm，0.01mm] 间，完全满足主墙板的加工要求。 9 16 图3 五、应用效果 补偿后精度误差示意图 通过本人的不懈努力，对机床故障原因进行了分析和改进。从理 论分析来看，该种改进能满足主墙板的加工要求，也证明了最初 的判断是正确的。 改进后的 U5 龙门加工中心，在加工主墙板过程中，根据工艺员 和操作者的跟踪观察，加工精度可达到 0.015mm，且合格率达 100,。 生产实践证明，该改进是有效和成功的。自开始改进到目前为止 ，机 床使用过程中从未出现任何问题，彻底解决了机床精密加工问题，这 次改进为公司节约了大量的资金，大大的降低了机床的故障率，提高 了机床精密加工的合格率，取得了巨大的社会效益和经济效益，因此 我们认为改进是非常成功的。 10 17 参考文献 [1] 茅振华 [2] 刘纪苟 [3] 刘纪苟 数控机床精度的激光干涉法测试与补偿[M] 机电工程，1999 机床定位误差微处理机补偿的研究[M]1985 中国仪器仪表学会精密机械学会 1985 年学术讨论会 11 18 百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网 92to.com,您的在线图书馆 19