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為什么機床測頭不能替代三坐標測量機?

2021年11月02日 13:16:59 來源:東莞市天罡儀器設備有限公司

       為了提高生產率,在加工零件的同一臺機床上對該零件進行測量似乎合情合理。畢竟,機床上一般都有測量所需的軸系和足夠的工作空間,并通常配備有觸發式機床測頭。然而,在機測量的效果往往并不盡如人意。為什么高精度的機床測頭測量后仍然需要在專屬三坐標測量機(CMM)上進行呢?

      與金屬切削機床一樣,CMM的制造精度也會受到經濟可行性的限制。然而,與機床不同的是,CMM通過對整個工作空間進行基于計算機的誤差補償(即空間誤差補償),可以實現更高的測量精度。例如,一臺CMM制造完成后,要用激光干涉儀精確測出其誤差圖,對直線度、垂直度、直線定位精度和角度誤差的誤差函數進行測量并制成誤差表。由于CMM的零部件幾何尺寸可視為恒定不變,因此可以利用測量軟件對這些誤差進行合并和修正。雖然空間誤差補償技術已在CMM上普遍采用,但對加工機床來說,對滾珠絲杠誤差以外的其他誤差項進行修正的情況并不多見。

那么,對機床進行空間誤差補償為何難度更大呢?由于機床的零部件幾何尺寸并非恒定不變,因此使其在至少四個重要方面與CMM明顯不同。
      CMM通常都放置在嚴格控制溫度的工作環境中。計量室的溫度通常保持在20℃(規定的尺寸測量標準溫度),一般都配備有空調裝置、隔溫門和專門的溫控系統,以保證溫度的波動范圍很小(通常為零點幾度)。在對工件進行測量之前,需要預先"等溫"一使被測工件的溫度與計量溫度*相同。
而機床的加工環境往往對溫度缺乏嚴格的控制。陽光可能會從窗戶照進室內,通向室外的門可能是敞開的。雖然加工車間通常都比較熱,但只有少數車間裝有空調。不斷變化的環境溫度會改變機床的幾何尺寸。就像機床有振動模式一樣,它也有熱模式,但這種熱模式的時間常數比較長,通常為幾小時或幾天。
CMM本身沒有較大的熱源。雖然CMM也有用于驅動軸系的伺服電機,但其所需的功率很小。CMM的軸系通常采用氣浮軸承,因此產生的摩擦熱很低。而機床有驅動電機、預加載軸系和主軸,并且會吸收切削熱和噴濺上溫度較低的冷卻液。由于所加工的零件不同,這些熱源的開啟和關閉很難預測。
      機床上的熱源會激發其熱模式,其結果是,機床零部件的位置始終在移動。以一臺主軸安裝在垂直立柱前面的機床為例。當主軸首先啟動時,產生的熱量主要包含在主軸中,遠離立柱。此時主軸位置向+Y方向移動。在當天晚些時候,即使該主軸仍以相同的速度在相同的負荷下運轉,它產生的熱量開始傳入立柱中(但是在立柱的正面而不是背面)。此時立柱發生變形,并開始向后傾斜,使主軸向-Y方向移動。正如更常見的那樣,當機床主軸啟動和停止、加速和減速時,由發熱引起的誤差都會變得難以預測。
       CMM并不需要知道每一點的位置坐標,而是需要在測頭"點擊"采樣時精確地確定所在的位置。因此,CMM的驅動系統和導軌必須非常靈活。而機床必須處于某些特定的加工位置,并要對抗很大的切削力在這些位置保持不動。因此,機床的驅動系統和導軌必須具有很好的剛性。為了消除空程,機床的軸系必須預加載荷,而這樣會產生較大的摩擦。機床的回程誤差可能是一個相當嚴重的問題,而CMM的回程誤差則要小得多。與CMM不同的是,為了與刀具的切削動作保持一致,機床的軸系必須以規定的速度移動(且往往是高速移動)。
CMM通常不會承受較大的測量負荷。測頭與被測工件之間的接觸力可能只為幾毫牛頓。因此,CMM在測量過程中的變形通常很小,而且一般局限于工件重量(作用于CMM的工件重量測量時不會發生變化)以及運動部件質心不斷變化的影響。機床則要承受很大的加工負荷。切削力可能很容易就會高達數百磅。切削會產生很大的主軸扭矩,而快速移動的重載軸系則會產生慣性負荷。
      由于這些原因,對機床進行空間誤差補償相當困難。當然,這并不意味著機床不能用于測量,而是表明,與用機床測量相比,用CMM測量的精度要高得多-至少目前還是如此。

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