數(shù)控機床及加工中心的精度評定課件

1、第9 章 數(shù)控機床及加工中心的精度評定9. 1 數(shù)控機床及加工中心精度的基本概念9. 2 數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目9. 3 數(shù)控機床及加工中心的定位精度9. 4 數(shù)控機床及加工中心的工作精度返回9. 1數(shù)控機床及加工中心精度的基本概念數(shù)控機床及加工中心不僅應能實現(xiàn)自動控制刀具和工件的相對切削運動, 進行高效率的自動加工, 同時還應滿足工件規(guī)定的加工精度。工件的加工精度是指加工后的幾何參數(shù)(尺寸、形狀和表面相互位置) 與理想幾何參數(shù)符合的程度。精度的高低用誤差的大小來表達。誤差是指實際值與理想值之間的差值, 誤差越小, 則精度越高。工件的加工精度用尺寸精度、形狀精度和位置精度三項指標

2、來衡量。在機械加工中, 工件和刀具直接或通過夾具安裝在機床上, 工件的加工精度主要取決于工件和刀具在切削成形運動過程中相互位置的正確程度。通常把由機床、夾具、刀具和工件構成的系統(tǒng)稱為工藝系統(tǒng)。下一頁返回9. 1數(shù)控機床及加工中心精度的基本概念工藝系統(tǒng)中的種種因素均會不同程度地影響工件的加工精度, 其中, 機床通常是主要的因素之一。此外, 還有許多非機床因素, 如: 夾具、刀具和工件毛坯本身的誤差; 工件在夾具中的安裝誤差; 切削過程中的受力變形、熱變形以及刀具的磨損等。機床精度是機床性能的一項重要評價指標, 它對工件的加工精度常起到決定性的作用。因此, 了解數(shù)控機床及加工中心精度的評定檢測內容

3、、要求和方法尤其重要。上一頁返回9. 2數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目數(shù)控機床及加工中心的精度主要從幾何精度、定位精度以及工作精度等方面進行評價。9. 2. 1幾何精度機床的幾何精度是指機床的主要運動部件及其運動軌跡的形狀精度和相對位置精度。它對工件的加工精度有直接影響, 因而是衡量機床質量的基本指標。幾何精度通常在運動部件不動或低速運動的條件下檢查, 其中主要包括: .(1) 導軌的直線度: 導軌是機床主要運動部件(如刀架、工作臺等) 的運動基準。下一頁返回9. 2數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目導軌不直會使刀具(工件) 的運動軌跡不是一條直線, 加工出來的工件表面就會產生形狀誤差

4、。(2) 導軌或主要運動部件運動基準間的相對位置精度: 該項精度會影響工件加工面間的位置精度。(3) 主軸的回轉精度: 主軸是工件(車床類機床) 或刀具(鏜床類機床) 的位置和運動基準。主軸存在回轉誤差, 如軸心線有徑向跳動, 工件的加工面就會產生形狀誤差, 例如車外圓時產生了圓度誤差。數(shù)控機床的幾何精度檢測很重要, 具體可參照或按以下這些標準中的要求執(zhí)行:上一頁下一頁返回9. 2數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目(1) GB/ T 17421. 12000 機床檢驗通則第1 部分: 在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度。(2) GB/ T 1840 加工中心檢驗條件第1 部分: 臥式和帶附

5、加主軸頭的機床幾何精度檢驗(水平Z 軸); 第2 部分: 立式或帶垂直主回轉軸的萬能主軸頭機床幾何精度檢驗(垂直Z 軸); 第3 部分: 帶水平回轉軸的整體萬能主軸頭機床幾何精度檢驗(垂直Z 軸)。(3) GB/ T 16462 數(shù)控車床和車削中心檢驗條件笫1 部分: 臥式機床幾何精度檢驗;第2 部分: 立式機床幾何精度檢驗; 第3 部分: 倒置立式機床幾何精度檢驗。上一頁下一頁返回9. 2數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目(4) GB/ T 2095M 數(shù)控床身銑床檢驗條件精度檢驗第1 部分: 臥式銑床; 第2 部分: 立式銑床。(5) GB/ T 21948 數(shù)控升降臺銑床檢驗條件精度檢

6、驗第1 部分: 臥式銑床; 第2 部分: 立式銑床。(6) GB/ T 21949 數(shù)控萬能工具銑床第1 部分: 精度檢驗。9. 2. 2定位精度機床的定位精度是指其主要運動部件沿某一坐標軸方向, 向預定的目標位置運動時所達到的位置精度。上一頁下一頁返回9. 2數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目對于數(shù)控機床, 定位精度的檢測反映了機床數(shù)控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及機床的構件等性能的綜合影響, 因而是最具有該類機床特征的一項指標, 它對加工精度的影響很大。9. 2. 3工作精度機床的工作精度是機床在實際切削加工條件下的一項綜合考核指標。機床的幾何精度、定位精度都是在不切削的狀態(tài)

7、下進行檢測的; 在實際切削狀態(tài)下, 還會受到切削力等負載的作用以及受運動速度變化的影響等, 使機床的精度對加工精度的影響復雜化。因此, 只檢查以上各項指標是不夠的, 還必須通過加工一批規(guī)定的試件, 檢查其加工精度來考核。上一頁下一頁返回9. 2數(shù)控機床及加工中心精度的主要檢測項目它是機床幾何精度、定位精度以及機床其他性能(如剛度、運動均勻性等) 的綜合反映。對于數(shù)控機床及加工中心, 工作精度性能試驗尤為必要。通過試驗可以綜合評價數(shù)控機床及加工中心各坐標軸的伺服跟隨特性和數(shù)控系統(tǒng)插補功能等, 以綜合地判斷數(shù)控機床及加工中心所能達到的精度水平。上一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度9. 3

8、. 1定位精度的基本概念數(shù)控機床及加工中心的定位精度是指機床的移動部件, 如工作臺、刀架等在調整或加工過程中, 根據(jù)指令信號, 由進給傳動系統(tǒng)驅動, 沿某一數(shù)控坐標軸的方向向目標位置移動一段距離時, 實際位置與目標位置的接近程度。定位精度的高低用定位誤差的大小來衡量。按國家標準規(guī)定, 對數(shù)控機床定位精度釆用統(tǒng)計檢驗方法確定。9. 3. 1. 1定位誤差的統(tǒng)計檢驗方法對于某一目標位置, 當按給定指令使移動部件移動時, 其實際到達位置與目標位置之間總會存在誤差, 多次向該位置定位時, 誤差值不可能完全一致, 而總會有一定的分散。下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度定位誤差按其出現(xiàn)的規(guī)律可

9、分為兩大類:(1) 系統(tǒng)性誤差: 誤差的大小和方向或是保持不變, 或是按一定的規(guī)律變化。前者稱為常值系統(tǒng)性誤差, 后者稱為變值系統(tǒng)性誤差。(2) 隨機性誤差: 誤差的大小和方向是不規(guī)律地變化的。實際上兩類性質的誤差是同時存在的, 引起這兩類誤差的原因不同, 解決的途徑也不一樣。為了評價和改善定位精度, 首先必須區(qū)分定位誤差中的兩類不同性質的誤差。隨機誤差表面上看起來雖然沒有什么規(guī)律, 但是應用數(shù)理統(tǒng)計方法還是可以找出其分布的總體規(guī)律的。定位(測量) 次數(shù)越多(100 次), 則規(guī)律性越明顯。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度生產實踐表明, 定位誤差的分布符合正態(tài)分布的統(tǒng)計規(guī)律

10、, 其分布曲線近似于一條正態(tài)分布曲線, 如圖9-1所示。正態(tài)分布曲線具有下列特點:曲線呈鐘形, 且呈對稱性。誤差的平均值(即平均位置偏差) 是曲線的一項主要參數(shù), 它決定了分散范圍的中心偏離目標值的程度。因此, 該值表明了定位誤差中系統(tǒng)性誤差的大小, 按下式計算:上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度均方根誤差是正態(tài)分布曲線的另一項主要參數(shù), 按下式計算: 的大小決定了曲線的形狀和分散范圍的大小。 越大, 曲線越平坦, 誤差分散范圍越大, 即精度越低; 越小, 曲線越陡峭, 誤差分散范圍越小, 即精度越高。分散范圍(即離散帶寬) 反映了定位誤差中的隨機性誤差部分。由于誤差在x3

11、以外出現(xiàn)的概率只占0. 27%, 可以忽略不計, 故將分散范圍取為6, 6 表明了隨機誤差的最大可能誤差。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度9. 3. 1. 2定位精度的確定定位精度主要用以下三項指標表示:(1) 定位精度: 某點的定位誤差為該點的平均位置偏差與該點誤差分散范圍之半的和,即定位誤差A 為(2) 重復定位精度: 誤差的分散范圍表示了移動部件在該點定位時的重復定位精度,即重復定位誤差R 為R =6S上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度(3) 反向差值: 當移動部件從正、反兩個方向多次重復趨近某一點定位時, 正、反兩個方向的平均位置偏差是不相同的。圖

12、9-2 所示為雙向趨近某一點定位時的誤差分布曲線。從正、反向趨近定位點時, 平均位置偏差分別為x和x, 其差值稱為反向差值,即:同時, 從正、反向趨近定位點時, 誤差的分散范圍也會不同。因此, 從不同方向向某點定位時, 其定位精度和重復定位精度也會有所不同。在圖9-2 中, x 為x和x的平均值。9. 3. 1. 3實際檢測中定位精度的計算上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度實際檢測中因測量次數(shù)較少, 一般測量次數(shù)n10, 此時應采用下式計算標準偏差值S來代替:因此, 定位精度A 及重復定位精度R 應按以下公式計算:9. 3. 2定位精度的檢測上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及

13、加工中心的定位精度數(shù)控機床及加工中心的定位精度一般采用刻線基準尺和讀數(shù)顯微鏡、激光干涉儀、光柵、感應同步器等測量工具進行檢測。利用刻線基準尺和讀數(shù)顯微鏡的測量原理如圖9-3 (a) 所示?？潭瘸甙惭b在被檢驗的工作臺上, 并與其位移方向平行。顯微鏡安裝在機床的靜止部位上, 用來觀察刻度尺的刻度。較高精度的數(shù)控機床及加工中心常用雙頻激光干涉儀測量定位精度, 其測量原理如圖9-3 (b) 所示。支架上的激光干涉儀安裝在機床的靜止部位, 其光線平行于被檢測的工作臺的位移方向。在工作臺上固定著反射鏡。被檢測的工作臺移動一個規(guī)定的距離, 由激光干涉儀的指示儀表示出工作臺移動的實際距離。上一頁下一頁返回9.

14、 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度在進行統(tǒng)計檢驗時, 為了得到某一點的定位精度, 需要對該點重復定位若干次進行測量。為了得到一個坐標軸的定位精度, 必須隨機測量坐標軸上的若干點, 各坐標軸還要從正、反兩個方向移動來測量和判斷其定位精度。為了提高測量效率, 保證測量精度, 近年來采用了激光干涉儀測量與顯示系統(tǒng), 能夠自動地顯示、處理數(shù)據(jù)和自動進行記錄。圖9-4 所示為激光干涉儀測量系統(tǒng)的原理圖。該系統(tǒng)可以連續(xù)對一個坐標軸進行自動測量, 并可自動補償環(huán)境溫度、氣壓變化等的影響, 最后由計算機將所有測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理, 繪出誤差曲線。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度9. 3. 3

15、定位精度的評定按國家標準GB/ T 17421. 22016 機床檢驗通則第2 部分: 數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定的規(guī)定, 數(shù)控坐標軸定位精度的評定項目有以下三項:(1) 軸線的重復定位精度R;(2) 軸線的定位精度A;(3) 軸線的反向差值B。檢測時, 在各坐標軸上選擇若干測點, 在每個測點位置上, 使移動部件按正、反兩個方向移動趨近, 測定定位誤差。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中心的定位精度對各項目的評定方法如下。(1) 軸線的重復定位精度R。各測點的重復定位精度為軸線重復定位精度為各測點重復定位精度Rj和Rj中的最大值, 即:上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機床及加工中

16、心的定位精度(2) 軸線的定位精度A。軸線的定位精度為雙向趨近各測點時, 中的最大值與 中最小值之差(見圖9-5), 即:上一頁返回9. 4數(shù)控機床及加工中心的工作精度9. 4. 1數(shù)控機床及加工中心的工作精度試驗工作精度試驗應能綜合地反映出機床在實際切削加工條件下所能達到的精度水平。一般應根據(jù)機床的工藝可能性和加工尺寸范圍, 確定若干種結構的典型試件及其對待加工表面進行加工切削, 然后測定加工完的試件精度來考察機床的工作精度。由于加工精度除了受機床的因素影響外, 還受到許多非機床因素的影響。例如: 毛坯余量的變化、切削用量的大小、刀具的磨損程度以及熱變形的影響等。為了使試驗結果盡量反映機床本

17、身的精度水平, 規(guī)定了一定的試驗條件, 以排除非機床因素的影響。下一頁返回9. 4數(shù)控機床及加工中心的工作精度通常規(guī)定用經過精加工的鑄鐵試件, 刀具應有足夠的耐用度(應大大超過切削時間的總和), 機床應在空運轉60min 后進行試驗, 以減少機床熱變形的影響。此外, 還規(guī)定了一定的切削深度。9. 4. 1. 1主要檢測項目現(xiàn)以加工中心為例, 介紹其工作精度的主要檢測項目。(1) 鏜孔孔距精度: 沿x、y 坐標方向依次定位精鏜四孔圖9-6 (a) 。檢驗x、y坐標方向的孔距及對角線方向的孔距。(2) 斜線銑削精度: 用x、y 兩坐標進行直線插補, 對方形試件的四周表面進行銑削見圖9-6 (b)

18、。安裝試件時, 使其一個加工面與x 軸成30角。上一頁下一頁返回9. 4數(shù)控機床及加工中心的工作精度檢測項目有:四面的直線度;相對面間的平行度;相鄰兩面間的垂直度。(3) 銑圓精度: 用x、y 兩坐標進行圓弧插補, 對試件的圓周面進行精銑。檢驗試件外圓的圓度見圖9-6 (c) 。9. 4. 1. 2各檢測項目與機床精度的關系在9. 4. 1. 1 中, 第(1) 項鏜孔孔距精度試驗屬于點位控制加工。試件的孔距精度主要反映了x、y 兩坐標軸的定位精度。上一頁下一頁返回9. 4數(shù)控機床及加工中心的工作精度圖9-7 表示在兩孔中心位置A、B 兩點處機床定位精度對試件孔距精度的影坰。孔距AB 尺寸為L

19、, 由于定位誤差的影響, 將使孔距尺寸在Lmax 至Lmin 之間變動, 其平均值為L。當機床反向移動時, 孔距精度還會受到反向間隙的影響。在9. 4. 1. 1 中, 第(2)、(3) 項銑斜線和銑圓精度試驗屬于連續(xù)控制加工, 試件的輪廓形狀精度, 除了受機床的定位精度影響外, 還受機床進給伺服系統(tǒng)的跟隨特性的影響。9. 4. 2機床進給伺服系統(tǒng)特性對加工精度的影響上一頁下一頁返回9. 4數(shù)控機床及加工中心的工作精度在進行連續(xù)切削加工的死循環(huán)控制系統(tǒng)中, 為了保證輪廓形狀精度, 除了要求機床有較高的定位精度外, 還要求系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應特性, 能穩(wěn)定而靈敏地跟隨指令信號, 即要求系統(tǒng)具有高的輪廓跟隨精度。輪廓跟隨精度與伺服驅動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性有關。在輪廓加工過程中, 各坐標軸常要求隨加工形狀的不同而瞬時啟?；蚋淖兯俣?。控制系統(tǒng)應同時精確地控制各坐標軸運動的位置和速度。