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新型變軸數控機床定姿態工作精度檢驗方案提出建議

時間:2011-07-17 08:21:37 來源:未知
傳統數控機床按照笛卡兒坐標體系設計，屬串聯相接、層疊嵌套的懸臂結構，各傳動鏈之間誤差作用是累積的。虛擬軸數控機床（又被稱為并聯機床，六條腿機床，虛擬軸機床或新型敏捷制造加工中心）是機床家族的新成員，它拋棄了傳統的固定導軌刀具導向方式，采用了六自由度并聯機構（Stewart 平臺）為其結構主體，因而理論上可以加工任意復雜曲面零件（如葉輪、模具等）。另外，這種新型機床各伸縮桿的運動效果耦合，具有精度高的潛在優勢。
機床精度檢驗通常包括幾何精度、位置精度和工作精度檢驗。目前，尚未見到ISO組織或某國針對虛擬軸數控機床精度檢驗制訂的標準。本文參照傳統數控機床精度檢驗的內容，并結合虛擬軸數控機床的特點，擬訂了其工作精度檢驗方案。

1 傳統數控機床工作精度的檢驗

圍繞傳統數控機床工作精度的檢驗，美國NAS979（國家航宇標準）制訂了“圓形—菱形—方形”試件切削實驗（簡稱試切法）標準，我國也有類似的標準。
表1 為用試切法對數控萬能工具銑床進行精度檢驗的方法。
從表1可知，試切法通過四種方式分別檢驗機床沿X坐標的直線度:X、Y、Z坐標相互之間的垂直度：數控插補的直線度、圓度以及X-Y平面上孔的位置精度等項目。另外，此法根據數控機床各坐標的行程范圍，確定切削試件的相應尺寸。這樣規定是因為傳統機床各坐標的誤差與行程之間為線性映射，因而利用小尺寸試件檢驗大行程的工作精度具有合理性。
利用試切法檢測機床工作精度，對試件精度檢驗實驗條件要求高，實驗周期較長，且因大多數切削運動沿X-Y平面進行，并未評價X-Z、Y-Z平面的精度，故無法評估傳統數控機床的所有性能。最新的國際機床檢驗標準推薦用球桿儀檢驗法取代NAS 979試切法，對機床工作精度進行迅速而有效的檢測。

2 虛擬軸數控機床工作精度檢驗方案的制訂


機床機構模型圖

虛擬軸數控機床與傳統數控機床的區別在于其加工誤差是各伸縮桿長度誤差以及鉸鏈中心位置誤差的復雜非線性映射，因此，需要擬訂適當的工作精度檢驗方案。盡管在傳統數控機床工作精度檢驗中，球桿儀檢測法更多地取代試切法，但由于隨球桿儀提供的誤差診斷軟件目前無法直接用于虛擬軸數控機床工作精度檢驗，因而試切法成為這里的首選方法。
    • 制定方案的理論依據
    • 虛擬軸數控機床工作精度的檢驗
    虛擬軸數控機床的機構模型如圖所示，其誤差表達式為
    ?Li=li·?ai-li·?oo1-li·（R＇Bi）-li·（R?Bi）
    式中Li為各伸縮桿的桿長矢量，其對應的誤差為?Li;li=Li/Li：?ai為靜平臺鉸鏈點絕對誤差：?oo1為動、靜坐標系原點間距離誤差：R為任意時刻動、靜坐標系間姿態變換矩陣，當動平臺姿態不變時，R=E（單位矩陣），R＇為R對應的誤差：#p#分頁標題#e#Bi是動平臺鉸鏈點相對坐標，?Bi為其對應的誤差。
    從上式可知，由于虛擬軸數控機床刀具位姿誤差與伸縮桿長度誤差存在非線性映射關系，小尺寸試件的精度不能準確反映大尺寸工作空間的工作精度，因而需選擇與機床工作空間范圍尺寸相當的試件進行切削，以評價其工作精度。
       
    2. 定姿態工作精度檢驗
      虛擬軸數控機床做定姿態運動時，描述動平臺位姿的變量中只有三個位置變量隨刀具軌跡變化，而姿態角始終不變。表2為虛擬軸數控機床在工作空間?300mm×300mm 時定姿態工作精度檢驗方案。
    3. 變姿態工作精度檢驗
      虛擬軸數控機床做變姿態運動時，動平臺姿態角隨刀具軌跡連續變化。這使得機床工作空間范圍同定姿態時相比大大改變，并且姿態角變化越大，機床可達工作空間越小。隨之而來的問題是:用試切法進行機床變姿態工作精度檢驗時，如何確定試切工件的尺寸以及檢測手段。文獻JB/T 17421.2-2000《機床檢驗通則——第2部分:數控軸線定位精度和重復定位精度的確定》特別制訂了供貨方/制造廠和用戶之間就傳統數控機床精度檢驗的協商要點。筆者建議，根據其原則，由有關各方協商擬訂變軸數控機床變姿態工作精度檢驗條款，作為此類機床工作精度檢驗的部分內容。

3 結束語

工作精度是衡量機床性能的重要指標。雖然通過試件切削實驗檢驗數控機床工作精度已有嚴格的標準，但是適用于虛擬軸數控機床工作精度檢驗的試切法尚處于探索階段。本文分析了傳統數控機床工作精度檢驗標準，根據虛擬軸數控機床與其的本質區別，擬訂了新型虛擬軸數控機床定姿態工作精度檢驗方案，并對變姿態工作精度檢驗提出了建議，供相關研究人員參考。