端面加工实时误差补偿及平面度测量系统

　　1　概述

　　误差补偿是机械加工中的一个永恒课题,随着微进给技术、测量技术、微电子和计算机技术的发展,误差补偿技术的效果愈来愈好,已经成为在一定机床制造基础上进一步提高加工精度的主要手段。平面度是零件的一个非常重要的技术要求,对于某些特殊零件平面度要求很高,如惯导系统中支撑板平面度误差≤0.13μm,激光陀螺平面反射镜的平面度误差达到0.03～0.06μm,这样高的平面度即使在超精密车床上也难以达到。现在国内新研制的超精密车床,其导轨直线度误差指标规定≤0.2μm/100mm,在这些机床上加工高精度端面,就必须进行实时误差补偿。

　　2　补偿原理

　　在超精密车削加工中,影响零件加工精度的因素很多,如果不进行综合分析和控制,每个因素都可能成为影响加工精度的主要原因而使零件精度超差。因此在补偿加工前需对机床的所有误差源进行综合分析,搞清楚每个误差源对零件加工精度的影响情况,再基于影响各种加工表面的误差源不同,在加工不同表面时,有针对性地分析影响该加工表面加工精度的误差源,然后对这些误差源进行综合控制以提高所加工表面的加工精度。如图1所示,加工端面时影响加工精度的因素如下:X溜板运动直线度误差;主轴角摆和轴向窜动误差;主轴热伸长;主轴与X溜板的垂直度;在实际加工中Z溜板的振动误差;主轴的轴向刚度、Z溜板的轴向刚度和X溜板的径向刚度。经实测导轨直线度误差为0.19μm/100mm,测量方法如图2。具体测量值如图3,采样间隔50ms,X溜板进给速度0.1mm;主轴轴向窜动小于0.04μm,主轴角摆对加工平面度的影响是二次误差,又因零件轴向距离很短只有5mm,因此忽略;由于采用磁性联轴节把电机和主轴隔离、所用的径向轴承和推力轴承均为气浮轴承并采用主动冷却,主轴热伸长经实测相对而言很小,可以忽略;主轴和溜板的垂直度误差等1″,在车直径为100mm的圆盘时引起的平面度误差为0.2424μm;Z溜板在加过程中存在振动误差,测量方法如图2,具体测量值如图4,采样间隔50ms;主轴轴向刚度250N/μm,Z溜板轴向刚度150N/μm;X溜板径向刚度150N/μm,而切削力只有几十克。由以上分析知:影响零件端面加工平面度的主要因素是:X溜板运动直线度误差;主轴和X溜板的垂直度;Z溜板的振动;主轴的轴向窜动误差。考虑到主轴的轴向窜动误差测量不便,而且其影响不占主导地位,该实验不补偿这项误差。由于在实测过程中发现溜板的直线度和振动随机性误差成分大,因此在补偿过程中,实时测量X溜板的直线度误差和Z溜板的振动误差,而把主轴与X溜板的垂直度当成常数。这样准确测量X溜板的直线度误差和Z溜板的振动误差就成为实现实时误差补偿的关键。X溜板的直线度$1采用激光测量得到,为了克服溜板转动带来的误差,把渥拉斯顿棱镜与刀尖同轴线地安装在刀架上,同时为了避免加工中冷却液的浇注对测量的影响而采用一定的封闭措施。在补偿加工前,首先多次测量X溜板的直线度,拟合出趋势项,以便在补偿时剔除;Z溜板的振动误差Δ2采用DWS电容测微仪测量得到;主轴与X溜板的垂直度造成的误差Δ3由图5计算,其中A为垂直度误差,L为加工长度,D为工件直径。这样在某点的补偿量Δ=Δ1+Δ2+Δ3。