高级职称论文:巧用激光干涉仪――提高U5龙门加工中心精度

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论文字数:3946 论文编号:sb2014103119090910880 日期:2014-11-01 来源:硕博论文网

一、引言

随着数控机床在机械制造中已得到广泛的应用,机床加工精度的要求越来越高,精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高,对数控机床的精度提出了更高的要求。如果完全靠提高零部件制造精度和机床装配精度的传统方法来提高精度数控机床,势必大幅度提高机床的成本,在有些情况下甚至不可能,而数控机床误差补偿技术可以消除或减少数控机床的误差源,是提高数控机床加工精度的有效途径.其内容包括误差检测、误差分析和误差补偿。本文就是基于上述思想,通过常德烟草机械有限责任公司2010年1月引进的一台美国辛辛那提U5龙门加工中心为例,在厂家调试人员多次调试未果的情况下,本人结合自身多年维修经验,通过误差补偿系统对数控机床进行检测和补偿,显著地提高数控机床的精度,使其工作于最佳精度状态,从而确保数控机床的加工质量。

二、设备故障现象 


美国辛辛那提U5龙门加工中心在厂家工作人员调试后,于8月正式交车投入使用。然而U5在使用过程中,经常出现加工精度超差的现象,尤其在加工主墙板的过程中更为严重。现象表现为:主墙板X轴方向孔定位精度最高要求为0.0175mm,实际测量结果圆4、圆51等误差都接近0.04mm,加工的8件主墙板中仅2件基本合格,致使U5龙门加工中心在交车后一直无法正常生产。美国辛辛那提U5龙门加工中心引进价格为228万美元,折合人民币228*7.5=1710万元,按十年折旧计算,一年225个工作日,每日折旧7600元。由于U5无法进行正常的精度加工,设备根本不能正常生产,仅停工引起的折旧损失费每天就为7600元,还不包括设备功能正常发挥以及零件报废的重大损失。这个问题一直是公司的一个心病。

三、故障分析

由于U5龙门加工中心在加工零件时出现精度超差的现象,这个问题一直困扰公司大型精密零件加工工作。本人对精密零件加工超差的原因进行认真分析,结合自身多年维修经验,初步认为反向间隙、定位误差、重复定位误差、热膨胀系数是影响U5龙门加工中心加工精度、产生加工误差的主要因素,并确定为重点攻关目标,通过逐一进行排查,确定故障点。本人认为消除或减少U5龙门加工中心的误差源,必须对机床误差进行补偿。但U5龙门加工中心是厂家工作人员不久前调试好的设备,从理论上说机床反向间隙、定位误差、重复定位误差应该都是最小的。温度变化虽然对精密加工有影响,但不应该是主要因素。经过多次摸索,发现机床误差补偿效果好坏在很大程度上取决于综合误差测量结果的准确性。首要任务是对数控机床测量数据的误差和测量过程的误差进行分析并判断其结果的准确性。
1、测量数据的误差分析
同一台机床,由于采用的标准不同,所得到的反向间隙、定位精度也不相同。因此在对测量数据的进行误差分析时,也要注意它所采用的标准。目前数控机床位置精度的误差分析通常采用国际标准ISO230-2、国家标准B10931-89、德国标准VDI3441、日本JIS B6336等。根据我公司和机床生产商的技术协议,U5龙门加工中心采用VDI/DGQ3441标准。
2、测量过程的误差分析
用激光干涉仪检验U5龙门加工中心精度的测量过程误差主要来源:
1)传感器造成的误差,激光干涉仪的气温、相对湿度传感器已尽量靠近激光束的测量路径传感器没有接近马达等局部性热源或是冷气流。故传感器不是误差的主要来源。
2)安装造成的误差,主要是由测量轴线与机床移动的轴线不平行而引起的误差,如余弦误差、阿贝测量误差等,在安装镜组时,考虑了光束附近的空气扰动。避免将镜组或激光束放得太靠近任何局部性热源。故安装不是误差的主要来源。
3)温度造成的误差,在各项测量误差中,温度误差对测量结果的准确性影响最大,所以为了保证测量结果的准确性,测量环境温度应尽量满足20±5℃,且进行测量时温度变化应小于±0.2℃/h,测量前应使机床等温12h以上。故温度可能是误差的来源。
4)热膨胀系数造成的误差,此误差大小取决于U5龙门加工中心光栅尺的热膨胀系数。当测量时热膨胀系数设置为1时,反向间隙、定位误差、重复定位误差都很小,但设备在加工零件时出现精度超差的现象。本人考虑U5龙门加工中心光栅尺为钢带,从理论上应设置为11.7,而且测量出的定位误差、重复定位误差都很大,最大有0.11mm, 这和加工主墙板的过程中,精度超差的状况大致吻合,故热膨胀系数可能是误差的来源。
经过以上分析, 在尽量消除温度误差对测量结果的影响下,可以判断产生机床精密加工超差的原因为一是热膨胀系数选择不正确,二是由此产生的丝杆传动的反向间隙、定位误差是影响数控机床加工精度、产生加工误差的主要因素,因此,认为要做好两方面的工作,一是正确选择热膨胀系数,二是对机床的反向间隙、定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的有效途径。

四、问题的解决

机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度,是数控机床有别于普通机床的一项重要精度,它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响,尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。而U5龙门加工中心在加工过程中主要是孔距差,问题的解决应在尽量消除温度误差对测量结果的影响下,选择正确热膨胀系数,提高机床加工精度的内容包括误差检测、误差分析和误差补偿。
 
1、热膨胀系数选择
对机床进行螺距补偿时,我们采用雷尼绍公司的激光干涉仪作为直线长度标准,该激光干涉仪的热膨胀系数初始值为1×10-6/℃,而U5龙门加工中心精度的测量过程中设置热膨胀系数为11.71×10-6/℃。所谓热膨胀系数是通常指线膨胀系数,表示温度每变化1℃材料长度变化的百分率,则温度变化时材料的伸长量可表示为式由于激光干涉仪的热膨胀系数选择不合理,造成主墙板加工过程的最大误差约0.036mm,已超过墙板0.02mm的误差要求。这也验证了最初判断。由上诉分析可知,激光干涉仪在校准机床时,其热膨胀系数选择对加工精度影响很大,根据主墙板的热膨胀系数,将激光干涉仪的热膨胀系数设置为和主墙板的一样,这样从理论上可以消除误差。
丝杆传动存在螺距误差是加工中心不可避免的误差,一般由三个方面原因造成:一是机床丝杠本身螺距累计误差造成,是丝杆制造过程中不可避免的误差;二是机床丝杠的装配方式为双支撑结构,使丝杠轴向拉长而产生螺距误差;三是在机床装配过程中,由于丝杠轴线与机床导轨平面间的平行度误差而造成X轴向的加工误差。

2、定位精度的补偿
所谓补偿就是指通过特定方法对机床的控制参数进行调整,其参数调整方法也依各数控系统不同而各有差异。所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。螺距误差补偿这项工作应该是在机床几何精度(床身水平、平行度、垂直度等)调整完成后进行的,这样可以尽量减少几何精度对定位精度的影响。机床的螺距误差线性补偿功能。另外,螺距误差补偿功能的实现方法有增量方式。所谓增量方式是指以被补偿轴上相领两上补偿点间的误差差值为依据来进行补偿,而绝对方式是指以被补偿轴上各个补偿点的相对零点的绝对误差值为依据来进行补偿。,如前所述,丝杆螺距误差是无法避免的,但可以通过激光干涉仪检测出U5的螺距误差,进行螺距误差补偿,该方法对数控机床进行定位精度检测来说,是目前公认的高效、高精度的检测方法。
 
 
五、应用效果
 
通过本人的不懈努力,对机床故障原因进行了分析和改进。从理论分析来看,该种改进措施能满足主墙板的加工要求,也证明了最初的判断是正确的。
改进后的U5龙门加工中心,在加工主墙板过程中,根据工艺员和操作者的跟踪观察,加工精度可达到0.015mm,且合格率达100%。生产实践证明,该改进是有效和成功的。自开始改进到目前为止,机床使用过程中从未出现任何问题,彻底解决了机床精密加工问题,这次改进为公司节约了大量的资金,大大的降低了机床的故障率,提高了机床精密加工的合格率,取得了巨大的社会效益和经济效益,因此我们认为改进是非常成功的。
 
参考文献 
[1] 茅振华  数控机床精度的激光干涉法测试与补偿[M] 机电工程,1999
[2] 刘纪苟  机床定位误差微处理机补偿的研究[M]1985 
[3] 刘纪苟  中国仪器仪表学会精密机械学会1985年学术讨论会 

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