加工中心空间精度的保证数控刀柄

加工中心：空间精度的保证

加工中心：空间精度的保证 2011年12月04日 来源： 机加工厂厂主和管理者面临着许多挑战，而其中最麻烦的一个是加工中心无法生产精密零件。 加工件不合格的原因之一可能是机床的空间精度有问题。这方面的实例是在加工厂加工体积足够大而占据机床的最大加工范围的大型工件时。机床可以在加工范围一定的区域内保持公差，但是当机床在这个区域以外的范围进行切削时，大型零件上这个范围附近的特征无法按要求的公差加工。当小尺寸零件定位在（占据大部分或全部加工范围的）墓碑式夹具相应部分时，会发生同样的问题。这些零件的加工精度比夹在墓碑式夹具其他部分的零件精度要低。为什么会发生这种现象？ 罪魁祸首是机床空间精度不够，而如果没有将零件夹在机床加工空间最大范围处，此“祸首”是不会让人发现的。每台机床都有一个在其中可以安装零件并进行有效切削的加工空间。在一台三坐标机床上，加工空间是由刀具借助三个坐标轴运动可以触及的总区域组成的。 另一个理解空间精度的方式是在一个立方体中取两点。理论上，这两点彼此具有完美的位置关系。它们可以在X轴彼此精确相距1000 mm，Y轴相距500 mm，Z轴相距300 mm。在X、Y、Z中第一个位置坐标为0，0，0，而第二个位置是由上述数值定义的。如果机床可以在相对于第一点毫无偏差的情况下运动到第二点，则其空间定位是完美的，理论上，机床可以达到的任何点都在加工空间内具有一个真实位置。 （位于新泽西州Franklin Lakes市的）（美国）三井精机（Mitsui Seiki）总裁Scott Walker说：“但是，实际情况是，如果你从X、Y、Z零点开始驱动刀具到此规定位置，由于丝杠或直线电机或者所采用的其他驱动装置存在位置误差，刀具不会精准地走到这个位置。”他解释说，之所以发生这个问题，是因为在任何组件中都带有妨碍自己到达此位置的固有不精确性。机床几何结构是沿机床导轨系统移动一定物质的函数。该物质需要在没有倾斜、摇摆及起伏的情况下以直线方向移动，因为随着物质沿机床的导轨系统进一步前进，任何偏差都会被放大。

卧式加工中心的加工空间可以想象成空间中的一个箱形或立方体区域。该区域定义了机床进行有效切削的范围，但是因为机床结构方面存在的不完美性，精度在这个空间内在每个点上可能会不一致。

Walker先生补充说：“你要确保机床的动态空间精度至少比零件公差小50~80%。在高精密加工中，大多数人要求小80%。例如，如果我必须加工一个零件公差为千分之几英寸的零件，诸如飞机齿轮箱，那么机床的定位精度必须在0.0002英寸以内。这样，对于所有其他影响零件质量的东西诸如热变形等我可以有0.0008英寸的公差。” 固有精度 Walker先生说空间精度必须在购买机床前就建于机床中。事实上，空间精度与零件应用场合相关，因此必须依据特定情况而定制，如对于加工异常重的工件就必须如此。 为了减少影响机床空间精度的倾斜、摇摆和起伏度，Walker先生认为机床的导轨必须进行手动刮研。为了检查手动刮研的精度，要采用一种叫做自准直仪的光学设备来分析倾斜和摇摆度。通过观察这种望远镜式装置，可以检测自准直仪测视线中交叉线存在的未对准现象。交叉线上下运动表示导轨表面存在倾斜误差，而左右移动则表示存在摇摆误差。起伏误差是用一个精密气泡水准仪测量的。一般地，自准直仪沿导轨表面每步移动100 mm，测量每个间隔的倾斜和摇摆误差。然后沿导轨系统移动气泡水准仪以相同的间隔测量起伏误差。这种表面必须进行手动刮研，从而将上述值降低到合格公差范围内。

对于一台要实现较高空间精度的机床，导轨系统必须建造成直线轴运动 — 具有最小的倾斜、摇摆和起伏性。这些误差必须在机床出厂前于装配过程中加以检测和修正。

此外，如果在装配过程中布放了非常重的机床部件，例如，当在机床床身上放置一个4吨重的立柱时，立柱会压弯床身。为了保证立柱轨迹为直线，要在导轨系统中形成微小的弯曲以对这种变形进行补偿。这样，当往机床上加立柱时，立柱的重量会压缩坐标轴，并保证它以平坦或直线方式运行。 如果X、Y、Z轴可以降低倾斜、摇摆和起伏度，则可以对其重量和彼此的影响加以补偿；现在坐标轴轨迹为直线，那么直线度可以以弧秒的方式加以测量。精度非常高的机床拥有直线度小于2弧秒的弧秒级导轨，这种精度被看作是优异精度。 一旦一台典型三坐标机床上的三个坐标轴都以直线运行，则最后要进行的调整是实现这些坐标轴之间良好的垂直度。如果机床具有精确的垂直度和直线度，则当刀具在空间运行时，它在确定的区域内将具有优异的真实定位。简而言之，机床的空间精度将很高。 Walker先生说，定位重复性和空间精度是彼此相关的。但是，重复性描述的是机床可以沿某坐标轴在空间内返回到某单个点的能力，而加工精度则涉及许多牵涉在一起的点。Walker先生解释说：“早期当丝杠没有像今天那样进行预载时，重复性是机床制造领域的一个重要问题。”因此，他得出结论，如今重复性对机床买家不再具有像以前那样重大的关系。精密性能标准 除了应用国家研究所提出的标准来帮助最终用户定义特定机床特征或者功能外，Walker先生说制造厂家还应用自己的标准来测量机床的精度。例如，某些制造厂家有用圆柱直角规测量机床垂直度的标准。同样，他们将陶瓷方尺布置在工作台上检查托盘绕主轴旋转时的平整度。 制造厂家要测量自己在生产计划中设定的一组公差，从而可以就机床的真实定位给出一定的数值。例如，他们可能声明机床可以在一个1米见方的空间内实现20 mm或更好的定位精度，或者机床可以在一个1,000mm见方的空间内实现75mm或更好的定位精度。Walker先生说：“真实的位置是很难测量的，因为它可以是离开主轴而定位的任何一点，诸如钻头顶尖，该位置不会相对于在空间中某处规定的X、Y、Z位置产生超出20 mm的偏差。” Walker先生说，机床通常设计和制造成在其具有最高精度的加工空间内存在一个“最有效点”。他说：“你无法拥有完美的垂直度和精确的圆度能力，因为机床是为一个或多个应用场合而设计的。”如果关键公差被约束在机床加工空间的特定部分，则必须给加工范围内该部分中机床的精度进行特别的关注。 Walker先生说，在讨论五坐标机床时，情况变得比较复杂。例如，市场上有大量五坐标耳轴式机床。但是，某些这样的机床其五坐标加工能力在10弧秒以内，而其他则在0.5弧秒以内。他说：“五坐标机床存在的问题是坐标轴轨道问题，这是两个回转轴之间的坐标轴旋转轨道。滞后也是电机反向要关心的一个问题，因为必须在电机中加入大量能量来驱动它，然后当电机必须减速和反向时，你必须将所有这些能量都抵消掉，这样做需要时间。因此就会产生伺服滞后，并且影响机床加工范围内的真实动态定位能力。” 为了解决这个问题，Walker先生坚决主张必须对安装的机床部件进行手动刮研，并且必须通过调谐伺服系统和操纵速度及位置数据而控制滞后现象，以便空间内移动的机床质量可以平滑运动并可以对其进行良好控制。 尽管机床制造厂家采用软件来补偿因主轴热膨胀而产生的机床非精确性，但这种软件却无法用于补偿加工范围内坐标轴运动的不精确性，因为这些不精确性可能依据被加工的零件不同而变化。 机床和零件的测量 尽管机床空间精度的测量非常困难，但Walker先生还是介绍了完成该任务的两种方式。 Optodyne公司（位于加利福尼亚州Compton市）的Charles Wang博士已经开发了一种测量机床空间精度的方法。Wang博士说，空间标定的过程必须在ASME B5.54 以及 ISO230-6空间机床性能测量标准中规定。但是，机床用户一直不情愿进行空间标定，因为遵循这些步骤，必须将机床停止生产2或3天。Optodyne用于空间标定和补偿的激光矢量技术将空间标定时间降低到了2或3小时，因此它成为测量机床性能这方面能力的一个诱人选项。

尽管机床空间精度的标定不容易，但采用滚珠杆和其他计量技术却使得它不是如此复杂。

（位于伊利诺斯州Hoffman Estates市的）雷尼绍（Renishaw）公司也已经开发了测量机床空间精度的设备。标定产品部的业务经理Clive Warren列出了三种可以给用户提供精确机床测量的设备。一种是用于综合评价机床、三坐标测量仪以及其他（位置精度非常关键的）系统之精度的ML10“金标准”激光测量系统。另一种是用于在常规基础上快速检查CNC机床性能的QC10滚珠杆系统。最后一种是机床检查规。Warren先生说，所有这些系统都为便携式，而滚珠杆和机床检查规的价格适中，采用自动方式，大、小型车间均可以方便地使用。 覆盖整个范围 为了在加工中心的整个加工范围中精确加工零件，机床必须具有足够的空间精度。买家可以确保机床具有足够空间精度的最简便的方式是，试切在加工范围内定位的样件，看公差是否满足要求。(end)

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