數(shù)控機(jī)床及加工中心的精度評(píng)定課件

1、第9 章 數(shù)控機(jī)床及加工中心的精度評(píng)定9. 1 數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的基本概念9. 2 數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目9. 3 數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度9. 4 數(shù)控機(jī)床及加工中心的工作精度返回9. 1數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的基本概念數(shù)控機(jī)床及加工中心不僅應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制刀具和工件的相對(duì)切削運(yùn)動(dòng), 進(jìn)行高效率的自動(dòng)加工, 同時(shí)還應(yīng)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(dá)。誤差是指實(shí)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(xiàng)指標(biāo)

2、來衡量。在機(jī)械加工中, 工件和刀具直接或通過夾具安裝在機(jī)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(yùn)動(dòng)過程中相互位置的正確程度。通常把由機(jī)床、夾具、刀具和工件構(gòu)成的系統(tǒng)稱為工藝系統(tǒng)。下一頁返回9. 1數(shù)控機(jī)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(huì)不同程度地影響工件的加工精度, 其中, 機(jī)床通常是主要的因素之一。此外, 還有許多非機(jī)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(jī)床精度是機(jī)床性能的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo), 它對(duì)工件的加工精度常起到?jīng)Q定性的作用。因此, 了解數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的評(píng)定檢測(cè)內(nèi)容

3、、要求和方法尤其重要。上一頁返回9. 2數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)控機(jī)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(jìn)行評(píng)價(jià)。9. 2. 1幾何精度機(jī)床的幾何精度是指機(jī)床的主要運(yùn)動(dòng)部件及其運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀精度和相對(duì)位置精度。它對(duì)工件的加工精度有直接影響, 因而是衡量機(jī)床質(zhì)量的基本指標(biāo)。幾何精度通常在運(yùn)動(dòng)部件不動(dòng)或低速運(yùn)動(dòng)的條件下檢查, 其中主要包括: .(1) 導(dǎo)軌的直線度: 導(dǎo)軌是機(jī)床主要運(yùn)動(dòng)部件(如刀架、工作臺(tái)等) 的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)。下一頁返回9. 2數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目導(dǎo)軌不直會(huì)使刀具(工件) 的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條直線, 加工出來的工件表面就會(huì)產(chǎn)生形狀誤差

4、。(2) 導(dǎo)軌或主要運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)間的相對(duì)位置精度: 該項(xiàng)精度會(huì)影響工件加工面間的位置精度。(3) 主軸的回轉(zhuǎn)精度: 主軸是工件(車床類機(jī)床) 或刀具(鏜床類機(jī)床) 的位置和運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)。主軸存在回轉(zhuǎn)誤差, 如軸心線有徑向跳動(dòng), 工件的加工面就會(huì)產(chǎn)生形狀誤差, 例如車外圓時(shí)產(chǎn)生了圓度誤差。數(shù)控機(jī)床的幾何精度檢測(cè)很重要, 具體可參照或按以下這些標(biāo)準(zhǔn)中的要求執(zhí)行:上一頁下一頁返回9. 2數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目(1) GB/ T 17421. 12000 機(jī)床檢驗(yàn)通則第1 部分: 在無負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度。(2) GB/ T 1840 加工中心檢驗(yàn)條件第1 部分: 臥式和帶附

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

6、驗(yàn)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(yàn)。9. 2. 2定位精度機(jī)床的定位精度是指其主要運(yùn)動(dòng)部件沿某一坐標(biāo)軸方向, 向預(yù)定的目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)時(shí)所達(dá)到的位置精度。上一頁下一頁返回9. 2數(shù)控機(jī)床及加工中心精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)于數(shù)控機(jī)床, 定位精度的檢測(cè)反映了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及機(jī)床的構(gòu)件等性能的綜合影響, 因而是最具有該類機(jī)床特征的一項(xiàng)指標(biāo), 它對(duì)加工精度的影響很大。9. 2. 3工作精度機(jī)床的工作精度是機(jī)床在實(shí)際切削加工條件下的一項(xiàng)綜合考核指標(biāo)。機(jī)床的幾何精度、定位精度都是在不切削的狀態(tài)

7、下進(jìn)行檢測(cè)的; 在實(shí)際切削狀態(tài)下, 還會(huì)受到切削力等負(fù)載的作用以及受運(yùn)動(dòng)速度變化的影響等, 使機(jī)床的精度對(duì)加工精度的影響復(fù)雜化。因此, 只檢查以上各項(xiàng)指標(biāo)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(jī)床及加工中心精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目它是機(jī)床幾何精度、定位精度以及機(jī)床其他性能(如剛度、運(yùn)動(dòng)均勻性等) 的綜合反映。對(duì)于數(shù)控機(jī)床及加工中心, 工作精度性能試驗(yàn)尤為必要。通過試驗(yàn)可以綜合評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床及加工中心各坐標(biāo)軸的伺服跟隨特性和數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能等, 以綜合地判斷數(shù)控機(jī)床及加工中心所能達(dá)到的精度水平。上一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)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(jī)床及加工中心的定位精度是指機(jī)床的移動(dòng)部件, 如工作臺(tái)、刀架等在調(diào)整或加工過程中, 根據(jù)指令信號(hào), 由進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng), 沿某一數(shù)控坐標(biāo)軸的方向向目標(biāo)位置移動(dòng)一段距離時(shí), 實(shí)際位置與目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度釆用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法確定。9. 3. 1. 1定位誤差的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對(duì)于某一目標(biāo)位置, 當(dāng)按給定指令使移動(dòng)部件移動(dòng)時(shí), 其實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間總會(huì)存在誤差, 多次向該位置定位時(shí), 誤差值不可能完全一致, 而總會(huì)有一定的分散。下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)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(jī)性誤差: 誤差的大小和方向是不規(guī)律地變化的。實(shí)際上兩類性質(zhì)的誤差是同時(shí)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(píng)價(jià)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(zhì)的誤差。隨機(jī)誤差表面上看起來雖然沒有什么規(guī)律, 但是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法還是可以找出其分布的總體規(guī)律的。定位(測(cè)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(jī)床及加工中心的定位精度生產(chǎn)實(shí)踐表明, 定位誤差的分布符合正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)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(diǎn):曲線呈鐘形, 且呈對(duì)稱性。誤差的平均值(即平均位置偏差) 是曲線的一項(xiàng)主要參數(shù), 它決定了分散范圍的中心偏離目標(biāo)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(jì)算:上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)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(xiàng)主要參數(shù), 按下式計(jì)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(jī)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(jì), 故將分散范圍取為6, 6 表明了隨機(jī)誤差的最大可能誤差。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)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(xiàng)指標(biāo)表示:(1) 定位精度: 某點(diǎn)的定位誤差為該點(diǎn)的平均位置偏差與該點(diǎn)誤差分散范圍之半的和,即定位誤差A(yù) 為(2) 重復(fù)定位精度: 誤差的分散范圍表示了移動(dòng)部件在該點(diǎn)定位時(shí)的重復(fù)定位精度,即重復(fù)定位誤差R 為R =6S上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度(3) 反向差值: 當(dāng)移動(dòng)部件從正、反兩個(gè)方向多次重復(fù)趨近某一點(diǎn)定位時(shí), 正、反兩個(gè)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(diǎn)定位時(shí)的誤差分布曲線。從正、反向趨近定位點(diǎn)時(shí), 平均位置偏差分別為x和x, 其差值稱為反向差值,即:同時(shí), 從正、反向趨近定位點(diǎn)時(shí), 誤差的分散范圍也會(huì)不同。因此, 從不同方向向某點(diǎn)定位時(shí), 其定位精度和重復(fù)定位精度也會(huì)有所不同。在圖9-2 中, x 為x和x的平均值。9. 3. 1. 3實(shí)際檢測(cè)中定位精度的計(jì)算上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度實(shí)際檢測(cè)中因測(cè)量次數(shù)較少, 一般測(cè)量次數(shù)n10, 此時(shí)應(yīng)采用下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差值S來代替:因此, 定位精度A 及重復(fù)定位精度R 應(yīng)按以下公式計(jì)算:9. 3. 2定位精度的檢測(cè)上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)床及

13、加工中心的定位精度數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度一般采用刻線基準(zhǔn)尺和讀數(shù)顯微鏡、激光干涉儀、光柵、感應(yīng)同步器等測(cè)量工具進(jìn)行檢測(cè)。利用刻線基準(zhǔn)尺和讀數(shù)顯微鏡的測(cè)量原理如圖9-3 (a) 所示?？潭瘸甙惭b在被檢驗(yàn)的工作臺(tái)上, 并與其位移方向平行。顯微鏡安裝在機(jī)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(jī)床及加工中心常用雙頻激光干涉儀測(cè)量定位精度, 其測(cè)量原理如圖9-3 (b) 所示。支架上的激光干涉儀安裝在機(jī)床的靜止部位, 其光線平行于被檢測(cè)的工作臺(tái)的位移方向。在工作臺(tái)上固定著反射鏡。被檢測(cè)的工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)規(guī)定的距離, 由激光干涉儀的指示儀表示出工作臺(tái)移動(dòng)的實(shí)際距離。上一頁下一頁返回9.

14、 3數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí), 為了得到某一點(diǎn)的定位精度, 需要對(duì)該點(diǎn)重復(fù)定位若干次進(jìn)行測(cè)量。為了得到一個(gè)坐標(biāo)軸的定位精度, 必須隨機(jī)測(cè)量坐標(biāo)軸上的若干點(diǎn), 各坐標(biāo)軸還要從正、反兩個(gè)方向移動(dòng)來測(cè)量和判斷其定位精度。為了提高測(cè)量效率, 保證測(cè)量精度, 近年來采用了激光干涉儀測(cè)量與顯示系統(tǒng), 能夠自動(dòng)地顯示、處理數(shù)據(jù)和自動(dòng)進(jìn)行記錄。圖9-4 所示為激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的原理圖。該系統(tǒng)可以連續(xù)對(duì)一個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量, 并可自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境溫度、氣壓變化等的影響, 最后由計(jì)算機(jī)將所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理, 繪出誤差曲線。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度9. 3. 3

15、定位精度的評(píng)定按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 17421. 22016 機(jī)床檢驗(yàn)通則第2 部分: 數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定的規(guī)定, 數(shù)控坐標(biāo)軸定位精度的評(píng)定項(xiàng)目有以下三項(xiàng):(1) 軸線的重復(fù)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(cè)時(shí), 在各坐標(biāo)軸上選擇若干測(cè)點(diǎn), 在每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置上, 使移動(dòng)部件按正、反兩個(gè)方向移動(dòng)趨近, 測(cè)定定位誤差。上一頁下一頁返回9. 3數(shù)控機(jī)床及加工中心的定位精度對(duì)各項(xiàng)目的評(píng)定方法如下。(1) 軸線的重復(fù)定位精度R。各測(cè)點(diǎn)的重復(fù)定位精度為軸線重復(fù)定位精度為各測(cè)點(diǎn)重復(fù)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(jī)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(cè)點(diǎn)時(shí), 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(jī)床及加工中心的工作精度9. 4. 1數(shù)控機(jī)床及加工中心的工作精度試驗(yàn)工作精度試驗(yàn)應(yīng)能綜合地反映出機(jī)床在實(shí)際切削加工條件下所能達(dá)到的精度水平。一般應(yīng)根據(jù)機(jī)床的工藝可能性和加工尺寸范圍, 確定若干種結(jié)構(gòu)的典型試件及其對(duì)待加工表面進(jìn)行加工切削, 然后測(cè)定加工完的試件精度來考察機(jī)床的工作精度。由于加工精度除了受機(jī)床的因素影響外, 還受到許多非機(jī)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(yàn)結(jié)果盡量反映機(jī)床本

17、身的精度水平, 規(guī)定了一定的試驗(yàn)條件, 以排除非機(jī)床因素的影響。下一頁返回9. 4數(shù)控機(jī)床及加工中心的工作精度通常規(guī)定用經(jīng)過精加工的鑄鐵試件, 刀具應(yīng)有足夠的耐用度(應(yīng)大大超過切削時(shí)間的總和), 機(jī)床應(yīng)在空運(yùn)轉(zhuǎn)60min 后進(jìn)行試驗(yàn), 以減少機(jī)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(cè)項(xiàng)目現(xiàn)以加工中心為例, 介紹其工作精度的主要檢測(cè)項(xiàng)目。(1) 鏜孔孔距精度: 沿x、y 坐標(biāo)方向依次定位精鏜四孔圖9-6 (a) 。檢驗(yàn)x、y坐標(biāo)方向的孔距及對(duì)角線方向的孔距。(2) 斜線銑削精度: 用x、y 兩坐標(biāo)進(jìn)行直線插補(bǔ), 對(duì)方形試件的四周表面進(jìn)行銑削見圖9-6 (b)

18、。安裝試件時(shí), 使其一個(gè)加工面與x 軸成30角。上一頁下一頁返回9. 4數(shù)控機(jī)床及加工中心的工作精度檢測(cè)項(xiàng)目有:四面的直線度;相對(duì)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(biāo)進(jìn)行圓弧插補(bǔ), 對(duì)試件的圓周面進(jìn)行精銑。檢驗(yàn)試件外圓的圓度見圖9-6 (c) 。9. 4. 1. 2各檢測(cè)項(xiàng)目與機(jī)床精度的關(guān)系在9. 4. 1. 1 中, 第(1) 項(xiàng)鏜孔孔距精度試驗(yàn)屬于點(diǎn)位控制加工。試件的孔距精度主要反映了x、y 兩坐標(biāo)軸的定位精度。上一頁下一頁返回9. 4數(shù)控機(jī)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(diǎn)處機(jī)床定位精度對(duì)試件孔距精度的影坰?？拙郃B 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(dòng), 其平均值為L。當(dāng)機(jī)床反向移動(dòng)時(shí), 孔距精度還會(huì)受到反向間隙的影響。在9. 4. 1. 1 中, 第(2)、(3) 項(xiàng)銑斜線和銑圓精度試驗(yàn)屬于連續(xù)控制加工, 試件的輪廓形狀精度, 除了受機(jī)床的定位精度影響外, 還受機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的跟隨特性的影響。9. 4. 2機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)特性對(duì)加工精度的影響上一頁下一頁返回9. 4數(shù)控機(jī)床及加工中心的工作精度在進(jìn)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(jī)床有較高的定位精度外, 還要求系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性, 能穩(wěn)定而靈敏地跟隨指令信號(hào), 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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。在輪廓加工過程中, 各坐標(biāo)軸常要求隨加工形狀的不同而瞬時(shí)啟?；蚋淖兯俣取？刂葡到y(tǒng)應(yīng)同時(shí)精確地控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的位置和速度。