側裝式直線導軌精度校調方法探討

彭雁峰，陳 婕

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

進口大型加工中心一般為移動式龍門結構，為節省空間，通常將承載龍門移動的直線導軌系統安裝在床身側面。側裝式導軌不同于一般機加設備水平安裝的導軌，由于兩側導軌為側立式安裝且安裝位置不在相同平面，導軌直線度、平行度無法進行直接檢測。

中車株洲電力機車有限公司一臺大型加工中心由德國FOOKE 公司生產，為移動式龍門結構，設置雙工位加工，主要用于城軌車輛鋁合金底架、頂蓋和邊梁等零部件的整體加工。設備全長73.1 m，寬5.59 m，X 軸最大行程65 m，Y 軸最大行程4.5 m，床身由箱型梁拼接組成，X 軸傳動方式為齒輪齒條傳動，導軌為側裝式直線導軌，安裝在床身側面。

1 問題

該設備投入使用已10 余年，期間從未做過導軌精度校調工作，由于設備地基的不均勻沉降和地腳螺栓松動，導致床身安裝精度發生了變化，X 軸直線度不能達到標準，傳動機構精度超差，機床定位精度、重復定位精度超差，X 軸伺服電機功率大，機床工作時龍門抖動嚴重，部分加工產品精度不能滿足現有要求，如設備繼續如此使用，將會繼續對導軌、滑塊，甚至整個X軸驅動系統造成損害。

2 X 軸幾何誤差分析

2.1 機床X 軸導軌幾何誤差的主要影響因素

（1）機床加工主要區域一直承受橫梁的重力，使得導軌不同位置在Z 方向受力不均勻，再加上床身長期沉降的作用，造成了X 軸導軌在X-Z 平面上直線度超過機床允差值。

（2）機床加工過程中切削力不是一個均勻的數值，在橫梁受Y 方向切削力時會將該力傳至X 軸導軌上，長期作用下造成導軌X-Y 平面上的直線度超過機床允差值。

（3）機床在加工過程中產生熱量，主要含機床運行過程中運動部件產生的熱量和刀具切削工件產生的熱量[1]，這部分熱量通過外部環境傳導至X 軸導軌和床身上，造成床身的結構發生變形，導致導軌幾何誤差的產生。

2.2 X 軸導軌幾何誤差對機床精度的影響

X 軸導軌的幾何精度決定了橫梁在X 軸上的運動精度，從而影響加工工件的精度，因此導軌應確保運動部件精確而平穩地運動，才能保證工件獲得理想的幾何精度、形位精度和表面粗糙度。影響X 軸導軌幾何精度的主要因素有以下兩點：

（1）導軌在水平和垂直面內的直線度誤差。導軌的直線是空間三維直線，需要在兩個相互垂直的平面（水平面和鉛垂面），即笛卡爾坐標系下分別校正[2]。直線度誤差是指被測實際直線相對于理想直線的偏離程度，是一種形狀誤差。X 軸導軌的直線度誤差在X-Z 平面和X-Y 平面，即Z 方向和Y 方向的直線度偏差，當產生直線度偏差時，會造成導軌成拱曲狀或凹陷狀，是對機床精度影響最大的區域。

（2）兩側導軌在鉛垂面內的等高度誤差。等高度是指兩側導軌在鉛垂面上高度需保持一致，即兩側需保持一個水平狀態，如偏差過大則會導致龍門傾斜，滑塊受力不均勻，機床幾何精度不能滿足加工要求。

3 技術難點分析

因為移動式龍門結構的特性，X 軸精度將直接影響其他各軸的精度，但由于機床導軌及驅動機構均位于床身側面，且床身寬5.59 m，常用的直線度檢測工具（水平儀、條尺、光電自準直儀等）無法直接架設在床身上進行檢測，因此無法使用常規檢測工具和檢測方法進行校調。在校調過程中，導軌整體直線度始終隨著地腳螺栓的調節發生變化，由于床身長73.1 m，調節點多，精度要求高，過多地調節地腳螺栓將導致床身產生較大的內應力，后續的應力釋放將導致精度再次降低。

4 校調方法

4.1 工裝設計制作

因該床身和直線導軌安裝的特殊性，無法直接使用常規工具進行檢測校調，經過大量的理論分析和模擬測試，最終設計制作出一套輔助測量工裝（圖1、圖2），將側裝式導軌的直線度檢測方向轉變為水平方向進行檢測校調。圖1 中每個工裝各有兩塊，其中工裝1 安裝于4 個滑塊上，工裝與2 個下滑塊基準邊有定位銷定位，可保證工裝安裝滑塊的兩端高度相等。工裝2 安裝于另一個滑塊上，擁有垂直定位邊與滑塊基準邊貼合。10 個工裝需要兩兩同時加工，以保證同一工裝的等高，將工裝誤差對后期檢測校調的影響降到最低。

圖1 輔助測量工裝

圖2 實測現場

4.2 校調工作

4.2.1 利用工裝2 和水準儀檢調

因設備長度過長且現有精度太差，直接使用水平儀或自準直儀無法測量出準確數值，因此采用水準儀或精度更高的電子數顯式水準儀進行檢調。將水準儀架設在設備端頭，校正好水準儀本體，再將標尺垂直固定在工裝2 上，每間隔一個地腳螺栓孔距1.2 m 測量一個數值。將兩側床身全部測量完成后，取一個所測值的中間數值，由床身中段位置逐點往兩端進行校調，將高于中間值的點往下降低，低于中間值的點往上抬高，重復檢測校調，校調至所有測量點誤差范圍小于±0.5 mm，即可進行下一步校調。

4.2.2 利用工裝1 和水平儀校調鉛垂面直線度

選用4 個新滑塊安裝在基準側上、下導軌上，將工裝1 安裝在4 個新滑塊上，保證安裝面和滑塊緊密貼合。工裝1 和3 塊水平儀如圖2 所示安裝，其中工裝1 中間放置高精度電子水平儀（精度0.001 mm/m）,兩邊安裝普通框式水平儀（精度0.02 mm/m），測量記錄基準側直線導軌誤差值，并按二分法由中間向兩端逐點進行校調，即：以27 號測量點為中點，將導軌視為兩段，分別向1 號點和54 號點逐點進行校調，每次只校調該點誤差的1/2左右，如圖3 中校調一、二、三遍所示，反復多次校調。當多數測量點都能滿足要求時，只需局部校調，如圖3 校調四遍所示。校調至最終全長直線度誤差在0.1 mm 以內，局部每米不大于0.015 mm。校調時注意保證床身無傾斜，即保證兩邊水平儀讀數不超0.02 mm/m[3]。

圖3 鉛錘面直線度校調數據

4.2.3 利用工具顯微鏡或光電自準直儀校調水平面直線度

因校調水平面直線度時，對鉛垂面直線度的影響較大，因此在鉛垂面直線度校調兩遍后，就應對水平面直線度進行校調，可采用拉鋼絲配合工裝2 和工具顯微鏡的方法進行測量校調。選用直徑1 mm 的鋼絲，在設備兩端設置鋼絲固定點，安裝高度合適的鋼絲支撐架，用拉緊器拉緊鋼絲，并將工具顯微鏡安裝固定在工裝2 上，校正鋼絲相對于導軌兩端對零后即可進行測量校調，如圖4 所示。也可采用兩個工裝2 安裝在同一導軌上，將光電自準直儀和反射鏡分別安裝在兩個工裝2 上，直接進行測量校調，校調至最終全長直線度誤差在0.1 mm 以內，局部每米不大于0.015 mm，反復檢測校調水平面和鉛垂面的直線度，直至兩個面的直線度誤差都能達到標準。

圖4 水平面直線度測量

4.2.4 利用工裝和橋尺進行兩側導軌等高校調

在基準側直線導軌鉛垂面和水平面直線度都能滿足全長誤差在0.1mm 以內，局部每米不大于0.015 mm 的標準時，即可對另一側直線導軌進行校調，如圖2 所示，將工裝2、工裝3、工裝4 緊密貼合疊放安裝在兩側下滑塊上，將精度±0.005 mm 的7 m長高精度橋尺架在工裝4上，再利用工裝5 和螺桿將橋尺固定，橋尺中間擺放水平儀，用以測量兩側等高，每隔1.2 m（地腳螺栓孔距）測量一個數據，通過校調非基準側導軌將兩側等高調至小于0.01 mm/m，再采用前文所述方法進行該側導軌直線度校調，同時保證橋尺上水平儀數值不大于0.01 mm/m，此步驟完成后，該臺設備導軌直線度校調工作完成。

4.2.5 試機結果

設備完成導軌校調后，對X 軸驅動機構、工作臺等進行檢調，并使用激光干涉儀對X 軸進行檢測補償，檢調全部完成后進入試機階段。設備試運行平穩、無抖動，X軸伺服電機功率下降至合格范圍內，定位精度和重復定位精度達到標準，后續試加工階段加工產品合格，證明此次校調成功。

5 結束語

對于大型數控加工中心尤其是該類超長型設備，導軌校調方法一般都無可借鑒的經驗，但經過大量的前期測試，大膽地探索一些輔助性工裝和手段，使得校調取得了成功，本文利用二分法校調超長直線導軌直線度，在實際工作中驗證了該方法的可行性，有效避免了大幅度校調對床身、導軌產生較大的應力變形，提高了校調精度。