加工中心几何精度的研究

加工中心几何精度的研究  

加工中心，作为排除了加工时人的具体干预的自动机床，它的几何精度检验必须真实地反映其工作区内形成工件轮廓表面的刀尖点相对工件运动轨迹的规律性要求，

因此，其检验的重点，应该是影响工件加工的形位精度。本文就内容改动较大的ISO/DIS10791中的几何精度检验部分行将贯彻之际，

对照目前正在执行的JB/GQ1140-89加工中心部颁标准，发表一孔之见，探讨加工中心几何精度检验的合理性。

1 揭示部件运动直线度的两类误差

运动部件沿各坐标轴运动的直线度，不仅直接影响工件的形状精度，还间接影响工件的位置精度(通过部件运动的平行度、

垂直度等)和尺寸精度(通过部件运动的定位精度)，故它是加工中心几何精度检验的重点和基础。

众所周知，部件的直线运动总是包含着六个误差因素：运动部件上任一有代表性的点(如刀尖点、工件中心点或工作台中心点等)在运动方向上的一个位置误差，

两个该点轨迹的线误差和三个该点轨迹的角度误差(图1)。当仅考查部件沿X轴运动的直线度时，则排除位置误差EXX这个因素，

应该检测点沿Y轴(在XY平面内)和Z轴(在XZ平面内)方向平动的线值误差EXY、EXZ以及点绕X轴倾斜，绕Y轴摆动和绕Z轴起伏的旋转角值误差EAX、EBX和ECX这五项误差的全部，

缺一不可(应当指出，由于阿贝误差的影响，运动部件上不同的点受所测得角值直线度误差的影响程度是不同的)，这是因为角值误差和线值误差是两类性质完全不同的直线度误差。

具体表现在：(1)它们的形成机理完全不同，线值误差是运行中运动部件平移导致的，角值误差则是运动部件在运行中旋转造成的。(2)两类误差从理论上讲不能直接相互换算，

不能用一类误差补偿另一类误差(当然，角度很小时，用线值误差近似表示角值误差的对应弧值是允许的)。(3)线值误差用偏离理想直线的长度值计，

角值误差则是偏离原位的绕轴线的转角值，以比值、微角或微弧计。(4)线值误差只能用线值检测器具(平尺和千分表，钢丝和显微镜，准直望远镜或激光干涉仪等)检验，

角值误差必须用角度检具(水平仪、自准直仪、激光干涉仪等)才能检出。因此，少检这五项误差中的任何一项，都会造成直线误差的漏检。

例如，只用千分表和平尺检工作台沿X轴移动的直线度(图2)，不论在水平面还是垂直面内，都会出现图示那种运动实际不平直而千分表读数却始终不变(示平直)的情况，

漏检了角值误差。同样，单用水平仪或自准直仪检工作台沿X轴移动的直线度时，也会在水平面或垂直面内检不出图3所示那样的的平移直线度误差。

图1 卧式加工中心直移部件运动误差示意图

图2 工作台直移的转角误差

图3 工作台直移的平移误差

2 加工中心新、旧几何精度标准相关检验项的评析

JB/GQ1140—89加工中心精度标准

运动直线度检验

在JB/GQ1140-89标准中，对各坐标轴线运动直线度的检验，有明显的漏检现象。例如工作台沿X轴移动的直线度，只通过序号G2的a和b两项，

检测了它沿Z轴(水平面内)和Y轴(垂直面内)平移的两个线值直线度误差，又通过序号G3检测了它绕X轴倾斜的角值直线度误差，而漏检了它绕Y轴的摆动和绕Z轴的起伏两项角值直线度误差，

因此检验合格的机床仍可能是不合格的。这里应当指出，G3检项称作移动的平行度不符合ISO230-1∶1996中平行度的定义，显然是概念不清或名不符实。

同理，Z轴方向同X轴方向相似，只检了两个线值和绕Z轴倾斜角值的直线度误差，漏检了绕X轴的起伏和绕Y轴的摆动两项角值直线度误差。

而Y轴方向则只检了两个线值直线度误差，角值直线度误差全部漏检。此外，根本未列项检验主轴及滑枕(有此结构时)沿轴线移动的直线度误差。

运动的平行度和垂直度检验

在JB/GQ1140-89标准中，对有关运动平行度的检验，只检了主轴轴线对Z轴运动的平行度和X轴运动对工作台T形槽或棱边的平行度，

而严重影响加工精度的主轴及滑枕沿其轴线运动对Z轴运动的平行度以及X轴运动或Z轴运动对工作台面的平行度等却未列项检验。

对有关运动垂直度的检验，也只检了垂直坐标轴对工作台面的垂直度，未检X轴运动对Y轴运动和Z轴运动的垂直度。这样一些相互运动的位置精度不检，呈模糊状态，未真实反映机床的几何精度，显然不合理，不科学。

G11所检静态的主轴轴线与工作台面的平行度(卧式)或垂直度(立式)，实用意义不大，而G19静态的工作台T形槽直线度的检测，更可取消，因这是工作台零件的检项。

ISO/DIS10791国际标准几何精度检验部分

运动直线度检验

在ISO/DIS10791标准中，对X、Y和Z三个坐标轴运动直线度误差的检测，都是按分别检测二个线位移误差和三个角位移误差的方法进行的，

完全符合前述直线度的合理检验方法。这里应着重指出的是，Y轴运动直线度中绕Y轴倾斜分量的检法，因水平仪无法放置，不能用；

而自准直仪需把反射镜放在主轴箱上，又无法保证自准直仪与反射镜的同步直移精度，也不宜用。故如图4所示，它是借助于线值检具千分表和圆角尺，

在工作台相距d长的两个位置上，均沿Y轴移动千分表，并于圆角尺同一侧母线的5个等距点分别读数，计算每个测量高度工作台两位置读数的差值，可求得

(最大差值—最小差值)/d=tand≈d

式中 d——绕Y轴倾斜角误差

同时也列项检验了主轴和滑枕沿其轴线移动直线度。

运动的平行度和垂直度检验

ISO/DIS10791标准(草案)，规定了各相关运动部件间的平行度和垂直度的检验。既有工作台面与主轴轴线各自对相关坐标轴运动的平行度和垂直度，

也有主轴与主轴滑枕沿轴线运动对Z轴运动的平行度以及各坐标轴运动间的垂直度。这些检验表明，新标准强调的是加工中心在各部件运动状态下几何精度的全面检验，

而未检静止状态的几何精度，这就直接反映了工作台面、主轴轴线与坐标轴线间在实际工作时的位置关系，也表明了直接影响工件形位精度的，

坐标联动时坐标轴间的位置精度，因此是合理的。用新标准取代旧标准，无疑有利于机床质量的提高，势在必行。

3 对新标准(草案)几点商榷

直线度是平行度和垂直度测量的基础，笔者认为在检验两直线平行或垂直时应把直线度误差考虑进去，由此，新标准的下述内容值得商榷。

ISO/DIS10791标准对于Z与Y、Y与X及X与Z任意两运动轴线垂直度的检验，均按两轨迹互相正交的检法，先使角尺的一边精确平行于部件上一点沿其中一个坐标轴运动的轨迹Ⅰ，

再测该点沿另一坐标轴运动的轨迹Ⅱ对角尺另一悬边的平行度，使若干点的等距误差在允差之内(垂直度的测量实质是平行度的测量)。按此检法：

必须规定轨迹Ⅰ运动部件在支撑导轨上的确定位置，而新标准中无此要求，这将存在部分误差的漏检现象，导致检验结果的异议。现以工作台沿X轴运动，

主轴箱沿Y轴运动的垂直度检验为例(图5)，分析如下：

在工作台沿X轴运动的全程内，轨迹Ⅰ肯定有包括XY平面中沿Y轴平移和绕Z轴起伏角误差在内的直线度误差，调整置于工作台上平尺与轨迹Ⅰ精确平行，

也只能是轨迹两端或有限点等距。轨迹Ⅰ的直线度误差，尤其是绕Z轴起伏角误差的直线度误差分量，必将导致工作台处于行程内不同位置时，

台面与理想X轴线的夹角各异，直接影响X轴与Y轴运动的垂直度误差读数。可见，不考虑工作台运动的直线度，将导致由此引起的这部分误差漏检，

而考虑X轴运动直线度的影响，就必须规定检测Y轴运动对角尺另一悬边平行时工作台的合理确定位置，否则可能有此类更大误差漏检。

如果机床的Z轴运动是立柱沿Z向床身直线移动的布局形式(图5)，则X轴与Y轴运动的垂直度检验还应规定，检测轨迹Ⅱ与角尺另一悬边平行时，

立柱在Z向床身导轨上的确定位置。因为给予主轴箱沿Y轴运动导向的立柱，需完成沿Z轴的直线运动，运动中绕Z轴旋转的直线度角误差分量将使立柱倾斜，

导致主轴箱沿一条偏离理想Y轴线的斜线运动，从而产生Y轴与X轴运动的垂直度误差。显然，立柱定位在Z向的不同位置，立柱的倾角也是不同的。

图4 Y轴运动直线度之Y轴倾斜角误差检验图

a、b、c——三种数值大小相等但形式不同的直线度误差dZs，其中 dZsa=dZsb=dZsc

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ——三种方向与数值不同的平行度误差dZp,其中dZp1=0,dZp2和dZp3的误差大小相等方向相反。

图6 运动的直线度和平行度误差的合成

图5 X轴与Y轴运动垂直度检验的示意图

基于同样道理，ISO/DIS10791标准在检验主轴轴线与Z轴运动的平行度时，未考虑Y轴运动直线度误差的影响，未规定主轴箱在立柱上的确定高度。

分别检验工作台面上排直定位孔基准和工作台侧定位基准对Z轴运动的平行度时，未考虑X轴运动在XZ平面内绕Y轴摆动直线度角误差分量的影响，

未规定工作台在X方向的确定位置。它们都将导致检验结果的不确定性，最终难以贯彻实施。

对沿一个坐标轴运动的部件，被沿另一坐标轴运动的部件导向的机床布局，如图1中沿X轴运动的工作台被沿Z轴在床身上运动的滑座导向的布局情况，

还存在着工作台运动的直线度受到滑座运动直线度影响的两部分误差合成的问题。因为滑座运动的绕Y轴摆动的这项直线度角误差分量，将使滑座倾斜，

导致滑座上原本平行于理想X轴的工作台运动导轨，产生了平行度误差，从而导致最终工作台运动直线度误差的增大。图6所示为工作台在X向全行程L内，

差值相同的a、b、c三种型式直线度误差dZs，受到滑座在Z向三个位置的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种不同倾斜角影响，附加产生工作台运动的平行度误差dZp时，

工作台合成误差dZs+p的变化情形。可以看出，滑座沿Z轴运动的直线度对工作台沿X轴运动的直线度的影响很显著，

是不能忽视的，ISO/DIS10971标准未考虑这个影响因素，显然会直接影响它的准确与合理。