臥式加工中心轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具定位銷連線的數(shù)學(xué)建模及實(shí)例應(yīng)用研究分析

李生斌 陳 帥 宋 偉 王 鵬 劉潤杰 許小明

（①通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000；②通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116000；③華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430000）

臥式加工中心配轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具，形成專機(jī)的方案是企業(yè)針對加工產(chǎn)品相對穩(wěn)定、批量較大零件的常用解決方法。臥式加工中心配轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具既可以充分發(fā)揮加工中心設(shè)備的高精度、高效率及高可靠性的特點(diǎn)，又可完成復(fù)雜、困難零件的加工工序。這類專用夾具可以避免工人在進(jìn)行工件定位時產(chǎn)生的誤差而影響被加工工件的精度，同時縮短了機(jī)械加工的時間，提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，進(jìn)而提高了市場的競爭力。

臥式加工中心轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具是保證被加工零件加工精度（尺寸精度、幾何精度和位置精度等）的關(guān)鍵部件，與加工中心部件有著極其密切的聯(lián)系（如定位銷、支撐面、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系等），其設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整都必須有嚴(yán)格的要求，才能使其持久地保持精度。正確地解決它們之間的關(guān)系，是保證臥式加工中心的工作可靠性和使用性能良好的重要條件。

1 搖籃式轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具構(gòu)成

臥式加工中心轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具是由夾具體、轉(zhuǎn)臺、尾座等裝置組成的一種復(fù)雜的夾緊定位結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。夾具體，一般采用一個平面和兩個定位銷子的定位方法，消除被加工零件在空間位置的六個自由度，實(shí)現(xiàn)被加工零件在夾具體中的準(zhǔn)確定位。定位銷子一般采用固定式定位銷的定位方法。當(dāng)采用固定式定位銷的結(jié)構(gòu)時，一般采用圓柱銷和菱形銷相結(jié)合的定位方法以補(bǔ)償孔距間距離的誤差，這種結(jié)構(gòu)既提高了定位精度，又有利于保證加工質(zhì)量[1]。轉(zhuǎn)臺作為加工中心的重要的功能部件之一，為數(shù)控機(jī)床提供了回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，提升了機(jī)床復(fù)雜加工能力，擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍。為提升數(shù)控轉(zhuǎn)臺的性能，國內(nèi)科研工作者和設(shè)計(jì)人員做了大量的研究工作[2-8]。臥式加工中心轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具常見的結(jié)構(gòu)形式是搖籃式轉(zhuǎn)臺。搖籃式轉(zhuǎn)臺，通常是在臥式加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺上放置夾具底座，在夾具底座上放置轉(zhuǎn)臺和尾座，如圖2 所示。

圖1 臥式加工中心轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具簡圖

圖2 夾具底座、轉(zhuǎn)臺和尾座關(guān)系示意圖

在實(shí)際的工作中，為了便于找出問題、解決問題，通常在裝配過程中，采用“層層檢測”的方法，避免誤差累積，影響判斷。只有這樣，才能保證裝配質(zhì)量。

首先應(yīng)將夾具底座擺正，為此需要在夾具底座上增加裝配工藝基面，如圖2 所示，裝配夾具底座時，要保證裝配工藝基面和機(jī)床坐標(biāo)系X向的平行度。

為保證轉(zhuǎn)臺和尾座的精度，一般用檢查棒檢測精度，具體檢測步驟如下。

步驟1：分別檢測轉(zhuǎn)臺端檢查棒和尾座端檢查棒各自對機(jī)床坐標(biāo)系（如X向）的平行度（即檢查棒的上母線對X向的平行度）。

步驟2：同軸度檢測。為了保證同軸度，通常在尾座處增加調(diào)整墊。以轉(zhuǎn)臺端檢查棒為基準(zhǔn)，確定轉(zhuǎn)臺端檢查棒和尾座端檢查棒的同軸度（即兩端檢查棒的上母線和側(cè)母線的同軸度），上母線精度不對時，修磨尾座端的調(diào)整墊；側(cè)母線精度不對時，以轉(zhuǎn)臺端檢查棒為基準(zhǔn)，調(diào)整尾座端的檢查棒位置，保證同軸度。以此擺正轉(zhuǎn)臺和尾座。

1.1 搖籃式轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具型式Ⅰ

如圖3 所示，在轉(zhuǎn)臺和尾座間增加個一體式搖籃作為夾具體。一體式搖籃對加工精度要求較高，如圖4 所示。

圖3 搖籃式轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具型式Ⅰ

圖4 一體式搖籃回轉(zhuǎn)夾具精度要求簡圖

兩端基準(zhǔn)孔EF連線對定位安裝基面A面的平行度；B、C面對兩端基準(zhǔn)孔EF連線的垂直；兩定位銷孔連線D對兩端基準(zhǔn)孔EF連線的平行；只有保證一體式搖籃的加工精度，才能進(jìn)行后續(xù)的裝配。

1.2 搖籃式轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具型式Ⅱ

如圖5 所示，分別用左L 板和右L 板連接尾座和轉(zhuǎn)臺，其上放置夾具底板。針對這種型式的搖籃式轉(zhuǎn)臺，在確定了夾具底座、轉(zhuǎn)臺和尾座的位置精度后，依據(jù)“層層檢測”法，接下來就應(yīng)該確定左右L 板的精度，夾具底板的精度及定位塊、定位銷的精度。

圖5 搖籃式轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具型式Ⅱ

1.2.1 確定左右L 板精度

在左右L 板回轉(zhuǎn)中心孔位置處穿入裝配用檢查棒，檢測并保證如下精度：

（1）左右L 板兩端檢查棒的同軸度。

（2）左右L 板兩端檢查棒側(cè)母線連線對夾具底座裝配工藝基面的平行度（即與X軸的平行度）。

（3）左右L 板安裝基面的共面度以及對夾具底座底面的平行度。

1.2.2 確定夾具底板精度

保證夾具底板的上平面對夾具底座底面的平行度。

1.2.3 確定定位塊和定位銷精度

在夾具底板上安裝定位塊和定位銷，檢測并保證如下精度：

（1）定位塊組成的定位面A面共面度及對夾具底座底面的平行度。

（2）兩定位銷連線B對夾具底座裝配工藝基面的平行度（即與X軸的平行度）。

搖籃式轉(zhuǎn)臺也可借助樣件進(jìn)行相關(guān)精度檢測。樣件是無導(dǎo)向的專用機(jī)床總裝和調(diào)試過程中確定主軸與夾具相對位置精度的一種輔具。樣件的定位部分和被加工工件的定位型式一樣，而精度有所提高。通常樣件精度一般高于機(jī)床精度2～3 倍[9]，這需要根據(jù)機(jī)床和被加工工件的具體情況來確定。樣件中增加的檢測基準(zhǔn)面是為了保證夾具和機(jī)床坐標(biāo)系的位置精度。為此，搖籃式轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)的樣件一般型式如圖6 所示。

圖6 搖籃式轉(zhuǎn)臺樣件示意圖

樣件上的0 孔是工件的圓形定位銷孔；1 孔是工件的菱形定位銷孔；2 孔和3 孔是確定夾具的回轉(zhuǎn)中心用孔。樣件的A面為定位面，B面、C面、D面用于機(jī)床找精度時使用，其中B面用于檢測樣件與機(jī)床坐標(biāo)系X軸的平行度；C面用于檢測樣件與機(jī)床坐標(biāo)系Z軸的平行度；D面用于檢測樣件與夾具體定位面的平行度。

2 分析定位銷可能出現(xiàn)的幾種情況

在實(shí)際檢測精度時，兩定位銷連線不僅影響夾具體的精度，也涉及工件編程時基準(zhǔn)的設(shè)定，因此比較重要。下面針對定位銷連線出現(xiàn)的幾種情況分別進(jìn)行詳細(xì)說明，并給出解決的辦法。

2.1 兩定位銷連線可能出現(xiàn)的3 種情況

臥式加工中心轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具定位銷連線在檢測過程中可能會出現(xiàn)如下3 種情況，如圖7 所示。

圖7 定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線、機(jī)床坐標(biāo)系示意圖

（1）轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系平行，但定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線不平行。

（2）轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系不平行，但定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行。

（3）轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系不平行，且定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線不平行。

出現(xiàn)上述幾種情況，不但影響機(jī)床的幾何精度，同時影響機(jī)床的加工精度，因此必須仔細(xì)分析，采取相應(yīng)措施。在精度檢測過程中，針對出現(xiàn)以上的這3 種情況，建立數(shù)學(xué)模型，歸納出了一套公式。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

2.2.1 建立數(shù)學(xué)公式

定位銷連線對轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行誤差：

即：（定位銷2 在0o位時測表讀數(shù)-180o位時測表讀數(shù)）÷2。

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線對機(jī)床坐標(biāo)系平行誤差：

即：（定位銷2 在0o位時測表讀數(shù)+180o位時測表讀數(shù)）÷2。

其中，?0?為轉(zhuǎn)臺在0o位時定位銷1 讀數(shù)為0，定位銷2 的測表讀數(shù)；?180?為轉(zhuǎn)臺在180o位時定位銷1 讀數(shù)為0，定位銷2 的測表讀數(shù)。

2.2.2 公式推導(dǎo)過程

（1）建立坐標(biāo)系：用三坐標(biāo)單元（加工中心）X、Y軸建立坐標(biāo)系[6]。

（2）用剖面線表示夾具體定位銷檢測面，如圖8 所示。其中定位銷1 在0o位時讀數(shù)為A1，在180o位時讀數(shù)為；定位銷2 在0o位時讀數(shù)為A2，在180o位時讀數(shù)為。

（3）推導(dǎo)：確定各點(diǎn)Y向坐標(biāo)值。

定位銷1：在0o位時讀數(shù)為A1，在180o位讀數(shù)為。

定位銷2：在0o位時讀數(shù)為A2，在180o位時為，所以A2=A1-? 0o（?0o為轉(zhuǎn)臺在0o位時定位銷1讀數(shù)為0，定位銷2 的測表讀數(shù)）。

推導(dǎo)式（1）：

即：（定位銷2 在0o位時測表讀數(shù)-180o位時測表讀數(shù)）÷2，表示定位銷連線對轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行誤差。

推導(dǎo)式（2）：

定位銷2 的讀數(shù)差減去定位銷1 的讀數(shù)差取其平均值。

即：（定位銷2 在0?位時測表讀數(shù)+180?位時測表讀數(shù)）÷2，表示轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線對機(jī)床坐標(biāo)系平行誤差。

2.3 具體實(shí)例分析

在實(shí)際精度檢驗(yàn)中，會出現(xiàn)很多不同的檢測結(jié)果，為了把錯綜復(fù)雜的情況分析清晰，先歸納一些簡單的實(shí)例由淺入深進(jìn)行剖析（其中：↓表示表頭朝下，↑表示表頭朝上）[10]。

2.3.1 實(shí)例1

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系平行，但定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線不平行。

（1）檢測：轉(zhuǎn)臺在0o位時，移動坐標(biāo)系，檢測兩定位銷1、2 兩點(diǎn)，測表在1 點(diǎn)時的讀數(shù)為0，測表在2 點(diǎn)時的讀數(shù)為-0.03 mm；將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到180o位時，移動X坐標(biāo)軸，檢測1、2 兩點(diǎn)，測表在1點(diǎn)時的讀數(shù)為0，測表在2 點(diǎn)時的讀數(shù)為+0.03 mm。

（2）計(jì)算與判斷：將實(shí)測值代入式（2），計(jì)算得[-0.03 +（+0.03）]÷2=0，表示轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系X軸移動平行誤差為0；將實(shí)測值代入式（1），計(jì)算得[-0.03-（+0.03）]÷2=-0.03 mm，表示定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行誤差為0.03 mm。誤差簡圖如圖9 所示。

圖9 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系平行，定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線不平行

（3）對策：將誤差計(jì)算值與出廠合格證比較，如果誤差計(jì)算值超差，可將定位銷1、2 上的定位孔按實(shí)測值修正后放孔鑲襯套，重新加工定位銷1、2 孔解決。

2.3.2 實(shí)例2

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系不平行，但定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行。

（1）檢測：轉(zhuǎn)臺在0o位時，移動X軸檢測定位銷1、2 兩點(diǎn)，測表在1 點(diǎn)時的讀數(shù)為0，測表在2 點(diǎn)時的讀數(shù)為-0.03 mm；將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到180o位時，移動X軸，檢測1、2 兩點(diǎn)，測表在1 點(diǎn)時讀數(shù)為0，測表在2 點(diǎn)時的讀數(shù)為-0.03 mm。

（2）計(jì)算與判斷：將實(shí)測值代入式（2），計(jì)算得[-0.03 +（-0.03）]÷2=-0.03 mm，表示轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系X軸移動平行誤差為0.03 mm；將實(shí)測值代入式（1），計(jì)算得[-0.03-（-0.03）]÷2=0，表示兩定位銷連線對轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行誤差為0。誤差簡圖如圖10 所示。

圖10 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系不平行，定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行

（3）對策：重新調(diào)整夾具底座，按實(shí)測值整體轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系X移動平行。

2.3.3 實(shí)例3

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系不平行，且定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線不平行。

（1）檢測：轉(zhuǎn)臺在0o位時，移動X軸，檢測兩定位銷1、2 兩點(diǎn)，測表在1 點(diǎn)時的讀數(shù)為0，測表在2 點(diǎn)時的讀數(shù)為0；將轉(zhuǎn)臺在180o位時，移動X軸，檢測1、2 兩點(diǎn)，測表在1 點(diǎn)時的讀數(shù)0，測表在2 點(diǎn)時的讀數(shù)為-0.06 mm。

（2）計(jì)算與判斷：將實(shí)測值代入式（2），計(jì)算得[0 +（-0.06）]÷2=-0.03 mm，表示轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系X軸移動平行誤差為0.03 mm；將實(shí)測值代入式（1），計(jì)算得[0-（-0.06）]÷2=+0.03 mm，表示兩定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行誤差為0.03 mm。誤差簡圖如圖11 所示。

圖11 回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系不平行，定位銷連線與回轉(zhuǎn)軸線不平行

（3）對策：從本示例可以清楚判斷出兩種不同的誤差交錯在一起，一種是轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系X軸移動間的平行誤差，可采取實(shí)例2 的對策，即重新調(diào)整夾具底座，按實(shí)測值整體轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床坐標(biāo)系X軸移動平行；另一種是兩定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線平行誤差，可采取實(shí)例1 的對策，即將誤差計(jì)算值與出廠合格證進(jìn)行比較，如果誤差計(jì)算值超差，可將定位銷1、2 上的定位孔按實(shí)測值修正后放孔鑲襯套，重新加工定位銷1、2 孔。

2.3.4 實(shí)例4

定位銷連線呈一定角度（即定位銷連線與裝配工藝基準(zhǔn)面有一定角度），如圖12 所示。

圖12 定位銷連線與裝配工藝基面有一定角度示意圖

在銷孔2 與Z軸方向平行處，增加一個工藝銷孔3，通過銷孔1、工藝銷孔3 的連線檢測定位銷孔連線與夾具回轉(zhuǎn)中心連線及與機(jī)床坐標(biāo)系X軸移動之間的平行關(guān)系，判定夾具是否滿足合格證要求，如果精度不對時，應(yīng)采用上述的方法進(jìn)行返修。

3 結(jié)語

本文主要講述了兩個方面的問題，有利于提高裝配制造技術(shù)，使產(chǎn)品質(zhì)量上升到一個新的臺階。

（1）介紹了臥式加工中心配置搖籃式轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具的兩種型式，并闡述了針對這兩種型式的回轉(zhuǎn)夾具在裝配中采取檢測的方法，以保證裝配精度。

（2）分析了轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)夾具兩定位銷連線與轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸線、機(jī)床坐標(biāo)系三者之間的關(guān)系，推導(dǎo)、歸納了公式，并以實(shí)例解釋了公式的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用這些公式時，應(yīng)注意檢測方法是否一致。