龙门铣床精度检测方法与技术研究

发布时间：2016-07-21 15:39

第 1 章 绪论 

1.1 课题的研究背景 
近年来，随着科学技术的不断发展，世界各国在电子信息，航空航天，军事等领域的竞争日益激烈，这直接促使了制造工业的快速发展，制造工业水平的高低，能直接决定国家的科技实力。而机床行业作为制造工业发展的基石，其设计和制造水平的高低，对于制造工业的发展起着至关重要的作用[1,2]。随着国家对机床行业的大力支持，尤其对“极大”与“极小”制造的高度关注，使我国的机床行业得到了快速的发展。2005 年 9 月 28 日，国务院通过了关于《加快振兴中国装备制造业的若干意见》，在报告中，将数控机床作为重点发展对象；在国家发改委、科技部制定的关于《2020年国家中长期发展规划》报告中，数控机床产业也被列为重要发展行业[3,4]。 目前，数控机床正朝着高精度、高效率、高性能、高柔性、高自动化、模块化、绿色化和智能化方向发展，机床的切削速度、自动化程度、机械性能和智能化程度也越来越高[5,6]。而大型龙门铣床作为一种重要的大型零部件加工设备，也得到了长足的发展，许多重要的行业对大型龙门铣床和大型龙门加工中心的需求量愈来愈大，市场竞争也越来越激烈。目前大多数机床生产厂商都把精力放在大型、超大型、高精度、高自动化的龙门铣床的生产与研发上[7,8]。 而大型移动式龙门铣床作为龙门铣床的一个重要分枝，在各行业中的应用也越来越广泛，，需求也越来越大，有需求有市场，就有生产，这是市场规律。因此，国内许多从未涉及龙门铣床的厂家，也纷纷投入到龙门铣床的研制工作中，通过自助创新、引进技术、合作生产等方式，研制出各种数控龙门镗铣床，以满足各种行各业的需求[9,10]。 大型移动式龙门铣床具有占地面积小、动态响应好等优点，但由于其本身尺寸比较大，两条床身分开装配，并且在装配过程中必须使用大量的仪器进行检测，安装调试比较困难，所以容易产生较大的安装误差，而这些误差将直接影响机床的加工精度，所以研究一套精度高、操作方便、测量成本低的精度检测方法具有很重要的实用价值。 
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1.2 课题的研究意义 
对企业来说，尤其是对于中小型企业，购买数控机床尤其是大型数控机床是一笔相当大的投资。并且 90%以上的大型数控机床都是解体之后将各部件发给用户，然后在用户现场进行组装调试，直至符合相关技术要求[13,14]。所以，新机床在验收时，必须进行严格的检验，使其在安装后能够达到相应的技术要求。 并且，机床在使用一段时间之后，大部分都处于超性能的工作状态，各部件磨损严重，各项性能指标都会急剧下降，严重影响机床的加工精度。所以，机床在使用一段时间之后就需要再次进行检验，以后定期进行检验。这对提高机床的加工精度，改善零件的加工质量，合理进行生产调度，提高机床加工效率等方面都具有很重要的意义[15,16]。 本文以“龙门铣床精度检测方法与技术研究”为课题，对龙门铣床精度检验方法进行研究，并利用自准直仪对其导轨直线度和平行度误差进行测量，并以导轨直线度误差为研究对象，针对导轨直线度误差测量中存在的问题，采用理论分析、计算机模拟和实验检验的方法对移动式龙门铣床床身导轨的直线度误差进行综合研究。 
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第 2 章 龙门铣床的结构及精度检测方法研究 

龙门铣床是一种集机、电、液等技术于一体的机械加工设备，适用于航空、重机、机车、造船、发电、机床、汽车、印刷、模具等行业的半精加工和精加工，也可适用于粗加工。龙门铣床主体结构是由一个龙门架、床身和工作台组成，龙门架是由双立柱、横梁、连接梁及铣头组成刚性框架。按龙门架是否能够移动可分为移动式龙门铣床和固定式龙门铣床；按横梁能否移动可分为静梁式和动梁式龙门铣床。 本文所述龙门铣床为静梁式动龙门铣床，与固定式龙门铣床相比，移动式龙门铣床具有占地面积小、动态响应好等优点，但由于其本身尺寸比较大，两条床身分开装配，并且在装配过程中必须使用大量的仪器进行检测，安装调试比较困难，所以容易产生较大的安装误差，而这些误差将直接影响机床的加工精度，所以研究一套精度高、操作方便、测量成本低的精度检测方法具有很重要的实用价值。 

2.1 龙门铣床的结构与布局 
本文所述龙门铣床整体结构示意图如图 2.1 所示。该移动式龙门铣床属于 3 轴数控机床，具有 X 轴、Y 轴、Z 轴 3 个运动坐标轴，横梁固定在立柱上，横梁上配置一个立式铣头，铣头滑座沿横梁导轨左右运动（Y 轴）及其上下运动（Z 轴），龙门框架沿床身纵向运动（X轴）。
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2.2 龙门铣床各关键部件的精度检测项目 
对于龙门铣床的精度检测主要是对其在装配过程中的装配精度和装配完之后各运动部件的精度进行检测，对于龙门铣床上各运动部件的精度检测，主要是对立柱、铣头、主轴和工作台的几何精度和位置精度的检测。本文依据相关精度标准，选定了一系列适用于该龙门铣床精度检测的项目，如下表 2.1 所示。对于龙门铣床立柱、铣头、横梁、工作台、主轴的精度检测方法和工作精度的检测方法，可结合国家相关精度标准进行检测，本文主要针对龙门铣床的导轨的精度检测方法进行研究。 对于移动式龙门铣床来说，其两条床身是分开装配的，每条床身上各安装有两条相互平行的导轨，而导轨作为各主要部件相对位置的基准，其直线度误差将直接影响到零件的加工精度，因此，对导轨直线度的检测是龙门铣床精度检测中的一项重要指标。并且龙门铣床床身上总共安装有 4 条导轨，必须保证每条导轨之间的平行度。所以对于龙门铣床导轨的精度检测主要是对导轨的直线度和平行度进行检测。 
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第 3 章 导轨直线度误差评定理论研究 ....... 15 
3.1 直线度误差评定基础理论 ......... 15 
3.2 直线度误差曲线形成机理与形位特性研究 ...... 17
3.3 基于最小区域法的直线度误差评定方法可视化设计 ...... 21 
3.3.1 两端连线法的数学模型 ..... 21 
3.3.2 最小二乘法的数学模型 ..... 22 
3.3.3 基于最小区域法的可视化设计 ......... 22 
3.4 本章小结 .... 23 
第 4 章 龙门铣床床身导轨精度检测实验研究 .... 25 
4.1 左床身导轨的精度检测 .........25
4.2 右床身导轨的精度检测 ........34
4.3 本章小结 .......43 
第 5 章 结论与展望 ..........44 
5.1 结论 .......44 
5.2 展望 .......44   

第 4 章 龙门铣床床身导轨精度检测实验研究

4.1 左床身导轨的精度检测 

由于本文需要以导轨 1为基准对其他 3根导轨分别进行平行度的检测，所以首先对导轨 1 进行直线度误差的检测。本文利用自制桥板和水平仪采用“节距法”对导轨在垂直面内直线度进行检测，测量时，（1）首先将水平仪绝对调零，此时水平仪的读数即为导轨相对于水平面的真实倾斜角度，如图 4.1 所示；（2）然后将水平仪放置在 500mm 桥板上，桥板放在导轨上，移动桥板，每隔 500mm 记录一次数据，测量的数据如表 4.1 所示；（3）最后，经过数据处理，利用作图法将测得的数据绘制成直线度误差曲线，如图 4.2 所示。 如图 4.2 所示，蓝色曲线代表直线度误差曲线，本文利用“两端连线法”求解直线度误差，首先将误差曲线的首尾两端点连接（红色实线），然后误差曲线上各点沿纵坐标方向距离两端点连线最大的距离即为直线度误差。 由图 4.2 可以看出，由于该导轨还没有进行粗调，所以此时导轨的直线度误差非常大，可达 4.75mm，应对其进行粗调，调试时只需根据直线度误差曲线旋转地脚螺钉即可。调试完之后，用相同方法再次对其直线度误差进行检测，直至将导轨调试到符合精度要求。调试完之后该导轨在垂直面内的直线度误差测量数据如表 4.2 所示，直线度误差曲线如图 4.3 所示。 

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结论 

本文以“龙门铣床精度检测方法和技术研究”为课题，利用水平仪和自准直仪对其导轨的直线度和平行度误差进行检测，并以导轨直线度误差为研究对象，针对导轨直线度误差测量中存在的问题，采用计算机模拟和实验的手段，采用理论分析、计算机模拟和实验分析的方法综合的对移动式龙门铣床床身导轨直线度检测技术进行研究，具体工作可总结如下： 首先对大型移动式龙门铣床的发展历史和研究现状进行了阐述，介绍了大型移动式龙门铣床先进的精度检测技术，并阐述了对龙门铣床精度检测方法研究的意义，最后提出了针对平面内直线度误差检测的构想并说明其研究意义；其次针对龙门铣床导轨直线度和平行度误差的检测，制定了一套切实可行的检测措施，并进行了实验，并对实验数据进行了分析。实验表明，该检验措施具有切实可行、操作方便、检验成本低和精度高等优点；其次通过对比和优化龙门铣床精度检验标准，结合实际情况，制定了一套关于移动式龙门铣床的几何精度、位置精度和工作精度的相关检验措施和精度要求；然后针对作图法求解平面内直线度误差时，只注重得出精确的误差评定值，而缺少误差曲线的形成机理和其形位特性参考依据的问题。利用自准直仪法龙门铣床的一段导轨进行直线度误差的检测，并利用作图法求出直线度误差曲线，通过分析提出了一种直线度误差曲线的绘制机理和其形位特性理论；其次针对最小区域法求解平面内直线度误差时存在不可视化和数学模型不完善的问题，本文应用几何学原理和优化理论设计了一种基于最小区域法的可视化模型，并给出了数学证明。最后针对作图法求解平面内直线度误差时存在评定理论不完善的问题，详细阐述了基于作图法的直线度误差评定理论并给出数学证明。从本质上解释了基于作图法的直线度误差评定方法。 
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参考文献(略)

本文编号：74372