熱效應中立式加工中心直線軸線的精度測量

韓玉穩　董應明　高健

摘要：立式加工中心直線軸線的數控精度在機床熱效應中變化較大。根據測量標準檢測立式加工中心直線軸線熱效應的數控精度，為機床的設計，改進，應用提供可靠有效數據，提高機床的性能。

關鍵詞：熱效應；直線軸線；數控精度；測量

引言

立式加工中心受環境熱源及溫度，機床運動切削加工，導致機床的幾何精度和數控精度改變，這些精度的改變，影響著機床的壽命、運動性能、加工件的精度。立式加工中心熱效應是生產廠家和用戶關注的重點。本文結合采用兩個測量標準，綜合運用計算機技術、溫度傳感器、激光技術，對立式加工中心的數控直線軸精度進行測量，較為全面地反映了立式加工中心熱效應下直線軸線的精度。

1.數控直線軸線精度的測量標準

目前，立式加工中心的直線軸運動一般主要由伺服電機驅動滾珠絲杠，拖動機床的運動部件作進給運動；當機床的環境溫度發生變化時，材料會熱脹冷縮，滾珠絲杠的導程就會加長或縮短；同樣，當機床運動及切削加工時，運動部件也會發熱，根據滾珠絲杠的支承方式，滾珠絲杠的導程會加長或縮短；立式加工中心的數控直線軸精度包括定位精度（單向、雙向）、重復定位精度（單向、雙向）、位置偏差、軸線的反向差值等就會改變，機床的加工精度隨之降低。

直線軸的數控精度是立式加工中心的重要性能指標之一，其測量的方法和產品標準有3個國家標準：《GB/T17421.2-2000機床檢驗通則 第2部分：數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》（等效采用際標準ISO 230-2：1997），《GB/T17421.3-2009 機床檢驗通則 第3部分：熱效應的確定》（等同采用ISO 230-3：2001），《GB/T 18400.4-2010 加工中心檢驗條件 第4部分：線性和回轉軸線的定位精度和重復定位精度檢驗》（等同采用ISO10791-4：1998）。

1.1 GB/T17421.2-2000和GB/T 18400.4-2010簡介

GB/T 18400.4-2010的檢測條件、數據處理等采用 GB/T17421.2-2000的規定，只是對立式加工中心的數控直線軸精度如定位精度（單向、雙向）、重復定位精度（單向、雙向）、反向差值等公差予以了具體化。

（1）檢測條件

A 環境：被檢測機床的環境溫度為20℃，機床的運轉升溫條件根據用戶和機床的供應商/制造商協商達成的協議，如果環境溫度不是20℃，也可根據用戶和機床的供應商/制造商協商達成的協議環境溫度檢測。

B 被檢機床：被檢機床應完成裝配并經充分運轉。在開始檢驗定位精度和重復定位精度之前，機床的調平、幾何精度和功能檢驗都應完全符合要求；檢驗在機床無負載的條件下進行。

C 升溫：檢驗前應按供方/制造廠的規定或供方/制造少與用戶的協議進行適當的升溫。

（2） 測量

A 測量行程：行程至2O00mm時在全行程上測量；行程超2O00mm時，按約定檢驗。

B 采樣點：在行程至2O00mm的線性軸線上，每米至少選擇5個目標位置，并且在全程上至少也應有5個目標位置，按標準檢驗循環（見圖1）在所有目標位置上進行測量，每個目標位置在每個方向上應測量5次；行程超2O00mm時，按約定檢驗。

C 采樣時間：直線軸完成標準檢驗循環所需時間。

（3） 測量結果評定

采用數理統計中的數字特征法，計算處理得出定位精度（單向、雙向）、重復定位精度（單向、雙向）等具體數值。

（4） 從GB/T17421.2-2000的檢測條件和測量過程可知，檢測得出的直線軸數控精度為某一環境條件和機床狀態下的數值，檢測的條件見圖2。

1.2 GB/T17421.3-2009簡介

（1） 檢測條件

A 環境：各種環境溫度。

B 被檢機床： 在機床檢驗前，所有必要的調平、幾何調整和功能檢驗都應完成；檢驗在機床無負載的條件下進行。

（2） 測量

分為環境溫度變化誤差（ETVE）的檢驗和由線性軸線運動引起的熱變形的檢驗。

A 立式加工中心環境溫度變化誤差（ETVE）的檢驗。

測量儀器安裝的方式見圖3，測量夾持刀具的部件和夾持工件的部件之間相對位移，計算繞機床X軸線和Y軸線的傾斜或旋轉。

機床的環境溫度、主軸軸承溫度、4個位移傳感器至少每5 min采樣一次，測量周期沒有具體規定，但應盡可能長（一般大于4小時）。

B 線性軸線運動引起的熱變形的檢驗。

測量行程及采樣點：當直線行程至2000mm的機床時，熱誤差測量為行程的兩端（兩個點）的熱漂移；如果軸線行程大于2000mm的機床，可在每個軸的正常工作范圍內選定一個有代表的2000mm長度來進行檢驗；見圖4。

采樣時間：運動軸線至少循環4小時直至運動軸線達到熱平衡。

（3） 測量結果評定

A 環境溫度變化誤差的評定

同時測量讀取4個位移傳感器X1、X2、Y1、Y2在各個采樣點的讀數，X直線上的誤差以同一方向的X1（或X2）的最大值計，Y直線上的誤差以同一方向的Y1（或Y2）的最大值計。

對于角度偏差測量按下式計算：

A = （Y1-Y2 ） /L ，B=（X1一X2）/L

ETVE（A）= A的最大值；ETVE（B）=B的最大值。

B 線性軸線運動引起的熱誤差的評定

熱誤差用elx+、elx-：、e2x+、e2x-來評定。

elx+：目標位置1在X軸正向熱偏移的總量。

elx-：目標位置1在X軸負向熱偏移的總量。