数控机床精度

数控机床精度 机床的精度主要包括机床的几何精度、机床的定位精度和机床的切削精度。现根据我在日常工作中所积累的经验，就这些精度的检测项目、检测方法及注意事项进行综合的说明。 1数控机床的几何精度 数控机床的几何精度反映机床的关键机械零部件（如床身、溜板、立柱、主轴箱等）的几何形状误差及其组装后的几何形状误差，包括工作台面的平面度、各坐标方向上移动的相互垂直度、工作台面X、Y坐标方向上移动的平行度、主轴孔的径向圆跳动、主轴轴向的窜动、主轴箱沿z坐标轴心线方向移动时的主轴线平行度、主轴在z轴坐标方向移动的直线度和主轴回转轴心线对工作台面的垂直度等。 常用检测工具有精密水平尺、精密方箱、千分或测微表、直角仪、平尺、高精度主轴芯棒及千分表杆磁力座等。 1.1 检测方法： 数控机床的几何精度的检测方法与普通机床的类似，检测要求较普通机床的要高。 1.2 检测时的注意事项： （1）检测时，机床的基座应已完全固化。（2）检测时要尽量减小检测工具与检测方法的误差。（3）应按照相关的国家标准，先接通机床电源对机床进行预热，并让沿机床各坐标轴往复运动数次，使主轴以中速运行数分钟后再进行。（4）数控机床几何精度一般比普通机床高。普通机床用的检具、量具，往往因自身精度低，满足不了检测要求。且所用检测工具的精度等级要比被测的几何精度高一级。（5）几何精度必须在机床精调试后一次完成，不得调一项测一项，因为有些几何精度是相互联系与影响的。（6）对大型数控机床还应实施负荷试验，以检验机床是否达到承载能力；在负荷状态下各机构是否正常工作；机床的工作平稳性、准确性、可靠性是否达标。 另外，在负荷试验前后，均应检验机床的几何精度。有关工作精度的试验应于负荷试验后完成。 2数控机床的定位精度 数控机床的定位精度，是指所测机床运动部件在数控系统控制下运动时所能达到的位置精度。该精度与机床的几何精度一样，会对机床切削精度产生重要影响，特别会影响到孔隙加工时的孔距误差。 目前通常采用的数控机床位置精度标准是ISO230-2标准和国标GB10931-89。 测量直线运动的检测工具有：标准长度刻线尺、成组块规、测微仪、光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。标准长度测量以双频激光干涉仪的测量结果为准。回转运动检测工具有360齿精密分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅和平行光管等。目前通用的检测仪为双频激光干涉仪。 2.1 检测方法（用双频激光干涉仪时） （1）安装与调节双频激光干涉仪。 （2）预热激光仪，然后输入测量。 （3）在机床处于运动状态下对机床的定位精度进行测量。 （4）输出数据处理结果。 2.2 检测时的注意事项： （1）仪器在使用前应精确校正。 （2）螺距误差补偿，应在机床几何精度调整结束后再进行，以减少几何精度对定位精度的影响。 （3）进行螺距误差补偿时应使用高精度的检测仪器（如激光干涉仪），以便先测量再补偿，补偿后还应再测量，并应按相应的分析标准（VDI3441、JIS6330或GB10931-89）对测量数据进行分析，直到达到机床的定位精度要求。 （4）机床的螺距误差补偿方式包括线性轴补偿和旋转轴补偿这两种方式，可对直线轴和旋转工作台的定位精度分别补偿。 3切削精度 检查机床切削精度的检查，是在切削加工条件下对机床几何精度和定位精度的综合检查，包括单项加工精度检查和所加工的铸铁试样的精度检查（硬质合金刀具按标准切削用量切削）。检查项目一般包括：镗孔尺寸精度及表面粗糙度、镗孔的形状及孔距精度、端铣刀铣平面的精度、侧面铣刀铣侧面的直线精度、侧面铣刀铣侧面的圆度精度、旋转轴转90°侧面铣刀铣削的直角精度、两轴联动精度等。 数控车床几何精度检测详细过程： 1．机床调平 检验工具：精密水平仪 检验方法：将工作台置于导轨行程中中间位置，将两个水平仪分别沿X和Y坐标轴置于工作台中央，调整机床垫铁高度，使水平仪水泡处于读数中间位置；分别沿X和Y坐标轴全行程移动工作台，观察水平仪读数的变化，调整机床垫铁的高度，使工作台沿Y和X坐标轴全行程移动时水平仪读数的变化范围小于2格，且读数处于中间位置即可 2．检测工作台面的平面度 检测工具：百分表、平尺、可调量块、等高块、精密水平仪。 检验方法：用平尺检测工作台面的平面度误差的原理：在规定的测量范围内，当所有点被包含在该平面的总方向平行并相距给定值的两个平面内时，则认为该平面是平的 。首先在检验面上选 ABC 点作为零位标记，将三个等高量块放在这三点上，这三个量块的上表面就确定了与被检面作比较的基准面。将平尺置于点 A和点 C 上，并在检验面点 E 处放一可调量块，使其与平尺的小表面接触。此时，量  块的 ABCE 的上表面均在同一表面上。再将平尺放在点 B 和点 E 上，即可找到点 D的偏差。在 D 点放一可调量块，并将其上表面调到由已经就位的量块上表面所确定  的平面上。将平尺分别放在点 A 和点 D 及点 B 和点 C 上，即可找到被检面上点 A和点 D 及点 B 和点 C 之间的各点偏差。至于其余各点之间的偏差可用同样的方法找到。  3．主轴锥孔轴线的径向跳动 检验工具：验棒、百分表 检验方法：将检验棒插在主轴锥孔内，百分表安装在机床固定部件上，百分表测头垂直触及被测表面，旋转主轴，百分表的最大读数差值，在 a 、 b 处分别测量。标记检棒与主轴的圆周方向的相对位置，取下检棒，同向分别旋转检棒 90 度、 180 度、 270 度、后重新插入主轴锥孔，在每个位置分别检测。取4次检测的平均值为主轴锥空轴线的径向跳动误差。 4．主轴轴线对工作台面的垂直度  检验工具：平尺、可调量块、百分表、表架 检验方法：将带有百分表的表架装在轴上，并将百分表的测头调至平行于主轴轴线，被测平面与基准面之间的平行度偏差可以通过百分表测头在被测平面上的摆动的检查方法测得。主轴旋转一周，百分表读数的最大差值即为垂直度偏差。分别在 XZ 、 YZ 平面内记录百分表在相隔 180 度的两个位置上的读数差值。为消除测量误差，可在第一次检验后将验具相对于轴转过 180 度再重复检验一次。 5．主轴竖直方向移动对工作台面的垂直度 检验工具：等高块、平尺、角尺、百分表 检验方法：将等高块沿Y轴向放在工作台上，平尺置于等高块上，将角尺置于平尺上（在Y－Z平面内），指示器固定在主轴箱上，指示器测头垂直触及角尺，移动主轴箱，记录指示器读数及方向，其读数最大差值即为在Y－Z平面内主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度误差；同理，将等高块、平尺、角尺置于X－Z平面内重新测量一次，指示器读数最大差值即为在Y－Z平面内主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度误差。 6．主轴套筒竖直方向移动对工作台面的垂直度 检验工具：等高块、平尺、角尺、百分表 检验方法：将等高块沿Y轴向放在工作台上，平尺置于等高块上，将圆柱角尺置于平尺上，并调整角尺位置使角尺轴线与主轴轴线同轴；百分表固定在主轴上，百分表测头在Y－Z平面内垂直触及角尺，移动主轴，记录百分表读数及方向，其读数最大差值即为在Y－Z平面内主轴垂直移动对工作台面的垂直度误差；同理，百分表测头在X－Z平面内垂直触及角尺重新测量一次，百分表读数最大差值为在X－Z平面内主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度误差。 7．工作台 X 向或 Y 向移动对工作台面的平行度 检验工具：等高块、平尺、百分表 检验方法：将等高快沿Y轴向放在工作台上，平尺置于等高块上，把指示器测头垂直触及平尺，Y轴向移动工作台，记录指示器读数，其读数最大差值即为工作台Y轴向移动对工作台面的平行度；将等高块沿X轴向放在工作台上，X轴向移动工作台，重复测量一次，其读数最大差值即为工作台X轴向移动对工作台面的平行度。 8．工作台 X 向移动对工作台 T 形槽的平行度 检验工具：百分表 检验方法：把百分表固定在主轴箱上，使百分表测头垂直触及基准（T型槽），X轴向移动工作台，记录百分表读数，其读数最大差值，即为工作台沿X坐标轴轴向移动对工作台面基准（T型槽）的平行度误差。 9．工作台 X 向移动对 Y 向移动的工作垂直度 检验工具：角尺、百分表 检验方法：工作台处于行程中间位置，将角尺置于工作台上，把百分表固定在主轴箱上，使百分表测头垂直触及角尺（Y轴向），Y轴向移动工作台，调整角尺位置，使角尺的一个边与Y轴轴线平行，再将百分表测头垂直触及角尺另一边（X轴向），X轴向移动工作台，记录百分表读数，其读数最大差值即为工作台X坐标轴向移动对Y轴向移动的工作垂直度误差。 10．定位精度、重复定位精度、反向差值 检验工具：激光干涉仪或步距规 步距规是一种高精度量具，不仅但可以检验数控机床的定位精度，还可以检验三座标测量机的位移精度。步距规的工作量块有钢质和金属陶瓷两种。因钢质量块易生锈不易养护且不耐磨损，绝大多数客户选用陶瓷量块步距规，与国外应用情况一致。现新制定的陶瓷量块标准已列入国家标准。 步距规的工作尺寸是指各量块外露部分工作面中点间的距离。使用步距规前，应用洁净脱脂棉（可沾少许航空汽油120#）擦净各工作表面。对钢质量块，使用前需除净防锈油，使用中勿用手指触摸量块工作面（手汗极易使钢质量块生锈），用完后应涂防锈油。陶瓷量块不生锈且耐磨耐用。 检测数控机床各坐标方向定位精度: 将步距规放置在工作台上并沿某一坐标方向（X、Y、Z）调整基体使之与某一导轨方向平行（斜度100：0.01）。在主轴头架上吸附刚性较高的磁力表座并装上杠杆千分表。因杠杆千分表的质量对检测结果影响较大，故应选用精度高尤其重复性好（不超过0.001mm）的高档杠杆千分表。 测量时杠杆千分表测头应处于各量块工作面中心区域。测量Z轴方向（垂直方向）定位精度时，应将步距规直立放置进行检验。 出厂检验报告已标出步距规各工作尺寸偏差值，处理测量结果时应将测得值加上工作尺寸的偏差值（带正负号）。 修正后的测量结果即为各坐标方向的定位误差，将某坐标方向各点的定位误差记录并绘成坐标曲线，利用记录和曲线图，借助有关软件进行误差修正。 陶瓷工作量块的热膨胀率为（9.5±1.0）×10-6 K-1，中间垫块与钢质量块的热膨胀率为（11.5±1.0）×10-6 K-1；当环境温度偏离20°C，还应考虑温度变化可能引起的测量误差。 目前，国内外比较知名的步距规品牌有：德国Koba、日本Mitutoyo、中国安一，它们的精度等级均能满足于检测机床工作台移动精度和校准三坐标测量机。就价格而言，德国Koba远远高于日本Mitutoyo和中国安一两个品牌，而中国安一的价格在同等精度、质量的前提下又仅仅是日本Mitutoyo的四分之一，加上定制周期较短，可以特殊定制规格和节距，所以更多的用户更愿意选择海尔式的国产高端步距规品牌——安一量具 步距规使用方法 一、注意事项步距规是精密量具，因此须避免其异常受力，如用手抓量块提拉步距规；使用物件敲击步距规量块；让量块异常受力；使步距规从高处掉落；强大外力弯曲步距规基体等等。安一步距规工作量块有陶瓷与钢制两种，使用钢制量块时因注意防锈。另外工作量块之间的钢制垫块部分也需要防锈，在恶劣环境下使用步距规，基体部分也应有防锈措施。 二、使用前的准备1、将步距规从包装箱里取出，（留意上述注意事项）使用洁净脱脂棉蘸航空汽油（120#）清洁步距规量块工作面及基座表面(不可使用溶解性清洁剂）。2、使用步距规检测X轴或Y轴定位精度时，应调整步距规基体与被检导轨方向平行（斜度100：0.01）；使用步距规检测Z轴精度时，应将步距规基体零位端面朝下竖立放置步距规于支撑台面上，如果支撑台面与Z轴垂直度太差，应设法将其校正。固定步距规时需注意，如果进行夹持应将夹持点选择在步距规艾利点（Airy points）支撑位置，避免将步距规夹持弯曲变形。3、固定一测微表于被检设备合适位置上。该测微表可以是杠杆千分表或者旁向式测微头，应依据检测的期望精度来具体选择，但是重复性要求尽可能好。坐标测量机、高度仪等使用本身测头，不需另外使用测微表。当使用磁力表座等支架固定测微表时，应保证磁力表座的刚性和稳定性。1) 加工中心及其它类似机床应将测微表固定于主轴头架上。2) 检测车床时，测微表应固定在刀架位置。3) 其余依次类推。4、等温校调好步距规和测微表位置后，应进行等温。等温时间依据步距规与被检设备的不同温差以及环境温度控制情况需求不一，应具体情况具体分析。要求的检测精度越高，等温时间应该越长。一般情况下，4-8小时基本可以，如要进行高精密检测应等温12-24小时以上。如果步距规与被检设备的温差本身不大，则等温时间不需太长。5、设备预热经过等温后，正式检测前应该让被检设备充分预运行，此时设备的温度、精度等参数更准确反映设备的真实工作状态，而步距规也更接近被检/被加工工件状态。 三、进行检测1、将被检设备导轨移动回零位处，此时测微表测头应与步距规零位工作面中心接触并预压，将被检导轨计数器（即被检导轨自身的读数值）和测微表读数置零。2、沿着与被检导轨垂直的方向移动测头直至出量块工作面外。3、沿着与被检导轨平行的方向移动测微表到下一个受检点前。4、反方向重复步骤2，位移量应当相等（即移动测微表测头至当前步距规工作面中心点）。5、微调被检设备。此时有两种方法可选，一是微调被检设备至导轨显示数值为标称值，此时导轨与步距规比较的差值从测微表读出；二是微调至测微表读数为零，此时导轨与步距规比较的差值由导轨计数器读出。建议当测微表的重复性、分辨力以及精度比被检设备高时选用方法一，这样可以得到更精确的测量结果。同一次测量只能用同一种方法，不应混用。检测部分有一点需要特别指出，步距规有同向和异向工作面，一般情况下使用与导轨移动方向同向的工作面，如果一个方向上的测量同向与异向工作面都使用的话，导轨的换向误差以及测微表的换向误差将会引入测量结果里面，除非该部分误差很小或者原本目的就需要测量该部分误差。 四、数据处理检测得到的数据加上步距规相应点的误差即是导轨在该点处的误差，处理数据时应注意符号的正负。对于高精密测量来说，热膨胀系数、温度偏离标准温度、步距规本身的误差等等都应在数据处理时予以考虑。限于篇幅，此处不做详细讨论。数据处理完毕，即可依据所得的结果对被检导轨定位精度进行修正。 预压、置零 检测中