圆盘式多工位机床的工位轴心精度测量及调整方法

摘要

本发明涉及一种圆盘式多工位机床的工位轴心精度测量及调整方法，用单工位测量机构与数据处理及调整指导方法，检测芯棒及杠杆千分表安装在工位加工主轴头位置上。用单工位测量机构测量获取单工位旋转圆跳动误差数据作为基本误差采集方法，获取不同圆盘上的各工位圆跳动误差。以单工位圆周跳动误差几何模型为基础，进行检测数据的可靠性校验和单工位偏差计算，用群体智能优化方法计算确定圆盘整体偏差，根据计算的整体偏差结果为依据对圆盘进行整体调整。实现了仅采用杠杆千分表等简单仪器和软件处理技术，即可有效地测量圆盘式多工位机床的工位轴心精度，并由测量得到的结果对机床进行有效的调整，达到了提高多工位机床的整体精度，减小加工误差的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床精度测量及调整方法，尤其涉及圆盘式多工位机床的工位轴心精度测量及调整方法。

背景技术

圆盘式多工位机床拥有多个工位和多个动力头，在零件需要多工序精密加工的场合应用具有优势，一般一个工作盘设置多台动力电机及其加工组合机构，称为动力盘；与其平行的另一个工作圆盘放置加工工件，称为工件盘。通常动力盘保持静止，而通过工件盘的旋转运动进料，使按照一定加工顺序完成各工位的加工。其结构示意图如附图2所示。

各工位的轴心偏差相互关联，为了减小其中某个工位的轴心偏差对机床进行相应调整，带来的后果可能是其他工位的轴心偏差增大，整体加工误差反而增大。因此圆盘式多工位机床的精度检测及调整是该类机床制造过程中的关键。

在多工位轴心偏差测量中，若根据国标GB/T--17421.1-1998规定的同轴度的测量办法，让测量工具装在动力头上并围绕着动力头轴线回转 360°，使测量工具的测头触及代表装夹孔轴线的圆柱体的规定截面，读数的任何变化都表示了同轴度误差的两倍。此测量方法应用在该种机床中，具有只能获取同轴度偏差值的大小，无法获取同轴度的偏差方向等问题。

关于目前多工位机床的各工位轴心精度检测及调整，经过文献检索，中国专利申请号为CN201218715Y，公开了名称为多工位机床各轴相对位置精度检测装置的专利，该专利申请了一种能直观读取数据、确保数据准确的多工位机床各轴相对位置精度检测装置，有效减少了调整次数和调整时间。该专利所申请装置，利用百分表等工具，通过分别对多工位数控车丝机的上下料工位、镗孔工位、车丝工位分别检测并进行调整，实现对多工位机床各轴相对位置检测。但是这种检测装置及方法具有以下不足：

其一，该装置及检测方法是为多工位数控车丝机设计，并不通用于其他多工位机床。

其二，该装置及检测方法仅适用于各工位的检测及调整相互独立的机床，即其中某个工位的检测及调整不会对其他工位造成影响。而高精度多工位多刀具机床的各工位的检测及调整会相互影响，该方法并不适用。

发明内容

为了有效测量圆盘式多工位机床的工位轴心精度并对机床进行调整以达到减小加工误差的目的，本发明提供一种圆盘式多工位机床的工位轴心精度测量及调整方法。该方法通过测量计算出各工位的轴心偏差及偏差方向，经数据处理可得到动力盘与工件盘的整体轴心偏差，根据结果对机床进行有效调整，使得各工位的轴心偏差在调整后整体减少，减小机床加工误差。

为了解决其技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种圆盘式多工位机床的工位轴心精度测量及调整方法，采用单工位测量机构和数据处理及调整指导方法，单工位测量机构由检测芯棒和杠杆千分表组成，具体步骤是：

1）获取单工位误差数据

将一动力头拆除，换上检测芯棒代替动力头，杠杆千分表通过螺纹连接固定在检测芯棒上，杠杆千分表的表头触及其中一个装夹孔的一截面，检测芯棒旋转一周，使杠杆千分表跟着旋转一周，旋转过程中分别记录下0°，90°，180°，270°四个位置处杠杆千分表（4）的示数r0、r90、r180、r270、最大值、最小值，获得单工位误差数据；

2）获取各工位与动力头的同轴度偏差及偏差方向

将单工位误差数据进行处理，得到所有装夹孔在各工位与动力头的同轴度偏差及偏差方向；

3）获取装夹孔的整体偏差

选取数据，将同一装夹孔与各动力头的同轴度偏差及偏差方向作为一组数据，将每组数据通过计算机使用群体智能优化方法处理，计算得到该装夹孔的整体偏差；重复选取数据进行处理，直到得到所有装夹孔的整体偏差；

4）获取工作盘的回转误差

将各装夹孔的偏心误差矢量数据进行处理，找到一矢量，使得所有装夹孔的偏心误差矢量减去该矢量后整体减小，该矢量即是两个工作盘之间的偏心误差，通过计算所有装夹孔的回转误差平均值得到工作盘的回转误差；

5）调整圆盘式多工位机床的工作盘

根据步骤四得到的结果对圆盘式多工位机床的工作盘进行相应调整，使得每个装夹孔与所有动力头的整体偏差整体减小。

上述获取装夹孔的整体偏差的具体方法是：在机床工作过程中动力盘静止，动力头位置确定，将动力头的位置作为基准视为该装夹孔在各个工位处的理想位置，装夹孔在各个工位的理论位置应均匀分布在一个圆上，通过步骤二计算得到装夹孔在各工位与动力头的同轴度偏差及偏差方向数据，则可得到该装夹孔在各工位的实际位置，通过群体智能优化方法，找到在整体上最接近装夹孔实际位置的圆，使装夹孔的实际位置最近似地均匀分布在该圆上，这两个圆的偏差即是该装夹孔的整体偏差，整体偏差包括三个分量：偏心半径偏差R、偏心角度偏差β、回转误差θ，其中偏心半径偏差R、偏心角度偏差β构成偏心误差矢量。

本发明的有益效果是：

仅通过杠杆千分表等简单仪器，就可以有效测量圆盘式多工位机床的各工位轴心精度，通过单工位圆周跳动误差几何模型和群体智能优化方法处理得到工作盘之间的偏心误差及回转误差，并对机床进行有效调整使偏心误差减小，提高加工精度。

附图说明

图1是单工位测量机构示意图；

图2是测量示意图；

图3是单工位偏差测量的数学几何关系示意图；

图4-1是装夹孔偏差的计算原理示意图；

图4-2是装夹孔偏差的误差分量示意图；

图4-3是装夹孔偏差的求解数学模型示意图；

图5是工作盘偏心误差计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

请参阅图1-5，本发明的圆盘式多工位机床的工位轴心精度测量及调整方法，它由单工位测量机构与数据处理及调整方法两部分组成。

图1是单工位检测机构示意图。图1中，检测芯棒3，杠杆千分表4。在检测时，拆除动力头，用检测芯棒3替代动力头。检测芯棒3顶端突起处有螺纹，检测时杠杆千分表4通过螺纹连接固定在检测芯棒3上。

图2是本方法发明的测量示意图。图2中，放置电机和刀具的动力盘1，放置工件的工件盘2，是检测芯棒3，是杠杆千分表4，放置加工工件的装夹孔5，动力头6及加工刀具。具体测量方法是将一动力头6拆除，换上检测芯棒3，杠杆千分表4固定在检测芯棒3上，表头触及其中某个装夹孔5的某一截面，芯棒旋转一周，杠杆千分表4固定在芯棒上也跟着旋转一周，旋转过程中分别记录下0°，90°，180°，270°四个位置处杠杆千分表4的示数r₀、r₉₀、r₁₈₀、r₂₇₀以及最大值max、最小值min。记录下的这六个数据，可计算得到所测量的装夹孔5与该工位动力头6的同轴度偏差及偏差方向，计算原理及数学模型在下一步骤及图3进行详细说明。接着旋转工件盘，使下一个装夹孔5至该工位，重复测量并记录数据，直到在该工位测量完所有装夹孔与该工位动力头6的偏差数据。然后更换动力头，将芯棒安装在其他动力头位置，重复以上测量步骤，直到测量并记录完机床所有装夹孔在各工位的偏差数据。

图3是单工位偏差测量的数学几何关系示意图。图中局部坐标系原点O是杠杆千分表的旋转中心，即动力头的轴线，O1是装夹孔的轴线（俯视图，轴线成一点），d0为圆心O-O1偏差值，即动力头与装夹孔的同轴度偏差值，α为同轴度偏差方向，R0为装夹孔半径，Rd为在装夹孔上离O点最近的B点以O点为圆心的所在圆的半径。图3中将d0放大处理，通常情况下d0为μm数量级。

根据杠杆千分表的原理，杠杆千分表的示数变化为相对变化值。其中最大值max即为在离O点最近的B点的示数，最小值min即为在离O点最远的A点的示数。则x1的值即为B点处的示数max与0°处的示数的差值，即x1=max-r₀，同理：y1=max-r₉₀、x2=max-r₁₈₀、y2=max-r₂₇₀。

根据图中的几何关系，可以得到以下关系：

                                                                                                   2-1

                       2-2

                       2-3

其中R0、x1、x2、y1、y2已知，d0、Rd、α未知，共三个方程。通过求解以上三个方程得到d0、Rd、α的值：

                                               2-4

式中

   

   

   

将Rd、R0代入式2-1则可求得同轴度偏差值d0。

       根据图中的几何关系又有：

                             2-5

可求得α的值。

通过求解以上方程则可得到该动力头与所测装夹孔的同轴度以及偏差方向。

通过图3显示的单工位圆周跳动误差几何模型，可计算得到所有装夹孔在各工位与动力头的同轴度偏差及偏差方向。

图4-1是装夹孔偏差的计算原理示意图。图中坐标系原点O’是动力盘的中心点。图形“○”是动力头的位置，在机床工作过程中动力盘静止，动力头位置确定，将动力头的位置作为基准视为该装夹孔在各个工位处的理想位置。

经上一步骤已计算得到该装夹孔在各工位与动力头的同轴度偏差及偏差方向数据，而动力头位置确定，则可得到该装夹孔在各工位的实际位置，示意图中的“×”即为该装夹孔在各个工位处的实际位置。得到装夹孔在各工位的实际位置以后，找到在整体上最接近这些实际位置的圆，使装夹孔的实际位置最近似地均匀分布在该圆上，图4-1中的O2点即是这个圆的圆心。这两个圆的偏差即是该装夹孔的整体偏差。O2点的位置及偏差值通过结合优化算法及最小二乘法来求解。

图4-2是装夹孔偏差的误差分量示意图。图4-2中坐标系原点O’是动力盘的中心点，O2点是装夹孔实际位置所在圆的圆心，O’-O2即为偏心误差。偏心偏差由两个分量组成：偏心半径偏差R、偏心角度偏差β。由于理想位置是均匀分布在圆上的点，因此除了偏心误差之外，还存在回转误差θ。

图4-3是装夹孔偏差的求解数学模型示意图。装夹孔的整体偏差分量由偏心半径偏差R、偏心角度偏差β、回转误差θ共3个参数组成，每组误差参数能唯一对应装夹孔的一个可能位置。示意图中的图形“○”是一组误差参数所确定的与该组误差参数对应的装夹孔在各个工位的位置，图中工件盘的半径R0为已知。图形×为测量得到的装夹孔的实际位置。对应的“○”和“×”的距离差d的平方和相加求和，作为评价值，定义fitval为整体偏差评价值。（假设共有24个工位）

                       3-1

fitval具有非负性的特性。当fitval取到最小值时，这组误差参数即对应在整体上最接近这些实际位置的工件盘位置，图中O2点即是该圆圆心。fitval的最小值及该组参数采用优化算法求解。该组误差参数即是该装夹孔的整体偏差。

图5是工作盘偏心误差计算原理示意图。得到各装夹孔的整体偏差之后，将偏差数据中的偏心误差放置同一坐标系中。图5中的“×”即是各装夹孔偏心误差，包括偏心半径偏差R和偏心角度偏差β。找到一矢量，使得装夹孔的偏心误差矢量减去该矢量后整体减小，该矢量即是两个工作盘的偏心误差，如图5中的OA矢量。工作盘的回转误差为各装夹孔的回转误差的平均值。

本发明通过应用单工位测量机构测量获取单工位旋转圆跳动误差数据为基本误差采集方法，获取不同圆盘上的各个工位圆跳动误差。以单工位圆周跳动误差几何模型为基础，进行检测数据的可靠性校验和单工位偏差计算，应用群体智能优化方法计算确定圆盘整体偏差，根据计算的整体偏差结果为依据对圆盘进行整体调整。有效地测量圆盘式多工位机床的工位轴心精度，并由测量得到的结果对机床进行有效的调整，达到了提高多工位机床的整体精度，减小加工误差的目的。