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基于三维公差分析的五轴机床精度设计的方法研究

2017/7/13    来源:互联网    作者:李敬雨  李明  朱立昌  吴俊      
关键字:五轴机床  几何误差  精度设计  三维公差分析  
针对五轴机床的设计和测量,制定出一套五轴机床精度优化方案。使用在五轴机床本身表现出来的综合误差覆盖所有误差,误差本身又带有离散性,这种特性与三位公差相对应,通过三维公差对机床的部件分析,可以分配合理的公差值,从而降低机床的几何误差,提升机床的加工精度。

    目前通用的五轴机床都是由三根平移轴和两根旋转轴构成,其中平移轴用“T”表示,旋转轴用“R”表示。根据平移轴和旋转轴的分布情况,五轴机床分为RRTTT、TTTRR 和RTTTR 三种类型。如图1 所示的五轴机床为TTTRR 型五轴机床类型。两个旋转轴联结在一起,且与主轴刀具紧连。与垂直于工作台上下运动的Z 轴紧接相连的是C 轴,运动时其轴线位置是不变的,即为定轴。该轴可实现0~360°旋转;而与C 轴相连的是A 轴,其轴线跟随C 轴运动而改变位置, 因此是动轴。该轴可实现90°及以上的旋转。这种类型的特点是主轴刀具特别轻盈灵活,而且工作台的承重大小不受限制,即可以实现大工作台,因此,加工大型复杂工件的五轴机床适宜采用这种类型。

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    图1 TTTRR 类型五轴机床

    1 五轴机床精度设计

    1.1 五轴机床误差源

    机床加工误差所示主要涉及机床的几何误差、热变形误差、力误差及刀具误差、控制误差、加工工艺误差和一些其他误差。在一定的约束条件下(温度、湿度等),上述各个误差源对机床的影响最终体现在机床控制点空间几何精度。而且从某种角度来说,在已知条件下,同样可以将热误差,加工控制误差和安装误差包含在几何误差的综合误差分析中去。因此本文需要对五轴机床的几何误差进行研究。

    机床构内部各部件的几何形状、表面质量、相对位置等因素皆可造成机床的几何误差。作为机床重要组成部件-导轨和工作台,其精度对几何误差具有很大的影响。

    (1)导轨精度

    通常空间中任意不受约束的物体具有六个自由度, 即在空间坐标系可沿三个方向平移和绕三个平移方向旋转。而导轨就是约束运动部件,使其只有一个自由度,即按照仅允许的方向平移或者旋转, 且要保证运动部件的方向精度。其有两方面的含义:①平移运动部件的运动轨迹偏离理论直线的程度;②运动部件(工作台)在运动过程中的倾斜程度。前者主要是受导轨直线度影响(垂直平面内和水平平面内),而后者主要是取决于导轨间的平行度(垂直平面内)。

    (2)运动部件(工作台)运动精度

    工作台的精度控制主要是控制其在运动过程中的绕三个平移方向的倾斜。假设工作台理论运动方向是沿X 轴,则三个平移方向的倾斜分别为:①工作台绕X 轴倾斜:通常称为滚动角,是由工作台身两导轨在垂直方向不等高而产生; ②工作台绕Y 轴倾斜:通常称为俯仰角,是由工作台身导轨的直线度误差引起的(垂直平面内);③工作台绕Z 轴倾斜,通常称为扭摆角,是由工作台身导轨直线度误差引起的(水平面内)。

    (3)各运动部件之间的垂直度误差

    通常一个机床包含三个方向的移动,即横向、纵向和垂直方向,而其之间的垂直度误差,通常是由各个运动部件的导轨面间的误差决定。

    1.2 五轴机床精度设计

    目前关于五轴机床误差的的研究主要表现在: 基于多体系统理论建立了机床误差的精度模型, 包含了21 项几何误差;基于刚体假设通过闭环空间误差的关系补偿了机床的39 项系统误差。这已经细分到每一个单项造成的误差,然而却是以综合误差的形式表现出来。误差补偿法是针对刀具和工件间的相对精度,首先采集现有机床系统中的稳定误差,通过数学模型建模生成误差模型,然后引入新的误差补偿系统与当前误差相抵消,以实现机床精度的提高,它是从补偿的角度来解决机床精度问题。本文提出以综合误差分析法来设计, 利用几何公差覆盖所有机床误差提高机床精度。公差设计思路是从总体精度误差要求将五轴机床的误差分解成每一条轴线及架构的误差, 最终体现在每一个零件上的误差,这是一个非常复杂的过程。每一个零件上所有的误差用综合误差替代。最后对这样一个公差设计结果进行合理的公差值分配。

    加工精度取决于机床刀尖点相对于工件的综合误差, 而无论是哪一种机床,都涉及很多项几何误差,其中每一项误差皆对综合误差发挥不同程度的影响,因此需要对综合误差进行分析,找出各项几何误差对综合误差的影响权重。根据权重的大小有的放矢的指导后续工作:权重大的几何误差则需要格外重视,优先考虑;而影响程度很小的几何误差项目甚至可以忽略不计。使用综合误差分析将包含在机床上的21 项误差转化为几何误差,这样做, 一方面可以根据机床本身各项误差对综合误差影响权重分析,分配每根轴的几何误差;另一方面可以指导后续的测量以及补偿工作,判定综合误差是否完全覆盖单项误差。

    2 三维公差分析

    2.1 引入三维公差分析

    若使机床在规定的相同的环境条件下多次运动, 其运动结果并不一致,会有一定随机的变化,具有离散性,同时该特性也会造成对机床空间误差的影响。通过上述分析可知各项误差对综合误差影响权重分析, 而目前暂无公开的论文来解决这一问题,因此只能发掘综合误差的特性,寻找解决其的方法综合误差在求取时, 是通过刀具链和工具链实现的, 而这两条链是闭合的;同时闭合链中的任意一个环节都具有随机波动性,即链中的任意关节点多次运动到某一位置时,皆不是准确到达该位置,而是在该位置离散的波动。这两个特性恰好与尺寸链的特性一致,因此可以借用相似的三维公差尺寸链的统计求解的方式来解决各误差对综合误差影响权重的问题。

    目前有多种比较成熟的公差分析软件。SIEMENS 公司开发的VisVSA(Variation System Analysis)就是其中一款主要用于空间尺寸链运算的三维公差分析软件?利用计算机辅助公差分析软件VisVSA 对五轴机床的装配误差进行分析, 找出对装配精度影响最大影响因子, 根据分析结果有目的合理修改相应的零件公差值?一方面保证产品的装配要求和功能要求,另一方面也可以降低由于公差精度选取过高而造成的加工成本的增加?图2 为VisVSA 公差分析流程?

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    图2 为VisVSA 公差分析流程

责任编辑:张纯子
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