林 敏，鄭澤培

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

當(dāng)今產(chǎn)品的零部件日趨多樣，用于批量加工產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，且其傾斜面和曲面越來越多，模具加工精度及配合面要求也越來越高。為了提高模具生產(chǎn)效率，使其迅速地均勻冷卻、達(dá)到最佳冷卻效果，設(shè)計的模具水冷系統(tǒng)運(yùn)水孔隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求的不同會有不同的角度要求。對于這一類模具，需要有能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意角度銑削和深孔加工的精密五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床對其進(jìn)行加工。模具加工過程中使用五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床可以進(jìn)行細(xì)小孔的深孔加工及多角度加工，有效減少零部件在各工序間的裝夾次數(shù)，大大提高生產(chǎn)效率。

五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床在國內(nèi)屬于創(chuàng)新型產(chǎn)品，此前該類機(jī)床在國內(nèi)還沒有產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了規(guī)范廣東省內(nèi)五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床的研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)過程，為設(shè)備檢驗和質(zhì)量保證提供依據(jù)，筆者單位聯(lián)合環(huán)球工業(yè)機(jī)械（東莞）有限公司研制了廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 2103—2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》。該標(biāo)準(zhǔn)已于2018年1月2日發(fā)布，將于2018年4月2日實施。

該標(biāo)準(zhǔn)在研制過程中，對于數(shù)控機(jī)床通用的技術(shù)指標(biāo)，參考了已有的數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)；而對于已有標(biāo)準(zhǔn)沒有的或不適用的技術(shù)指標(biāo)，則通過分析機(jī)床的實際功能和使用情況進(jìn)行研究確定。其中，對機(jī)床直線軸最小設(shè)定單位這一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)階段很多國產(chǎn)精密數(shù)控機(jī)床最小設(shè)定單位已提高到0.001 mm，需要對其最小設(shè)定單位指標(biāo)及相應(yīng)的試驗方法進(jìn)行研究確定。

1 最小設(shè)定單位

最小設(shè)定單位是數(shù)控機(jī)床一項重要的技術(shù)指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)所規(guī)定的最小設(shè)定單位為脈沖當(dāng)量，是指數(shù)控裝置每輸出一個脈沖，相應(yīng)機(jī)床移動部件所能達(dá)到的位移量。脈沖當(dāng)量影響數(shù)控機(jī)床的加工精度，它的值越小，數(shù)控系統(tǒng)的控制精度越高。

最小設(shè)定單位主要由絲桿螺距、編碼器和驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)等設(shè)計參數(shù)確定。而實際上，滾珠絲杠的傳動誤差、傳動部件的機(jī)械間隙、導(dǎo)軌的幾何精度、摩擦阻力和溫度等都會影響機(jī)床的運(yùn)動精度，導(dǎo)致機(jī)床在最小設(shè)定單位指令下的位移存在誤差。因此，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 21012-2007《精密加工中心技術(shù)條件》、JB/T 8357.2-2008《數(shù)控立式鉆床第2部分：技術(shù)條件》、JB/T 8648.2—2008《鉆削加工中心第2部分：技術(shù)條件》等均對機(jī)床直線軸的最小設(shè)定單位誤差提出要求，并規(guī)定了試驗方法，以衡量機(jī)床在小位移移動指令下（在若干個最小設(shè)定單位指令下）的響應(yīng)到位情況[1-5]。部分已有數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)中直線軸最小設(shè)定單位指標(biāo)的要求和試驗方法如表1所示。

2 直線軸最小設(shè)定單位指標(biāo)的研究

2.1 按照已有標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法進(jìn)行試驗

DB44/T 2103—2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》在研制過程中，首先按照表1已有標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法，對最小設(shè)定單位指標(biāo)進(jìn)行試驗。

試驗在環(huán)球工業(yè)機(jī)械（東莞）有限公司內(nèi)進(jìn)行，該企業(yè)所研發(fā)的五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床擁有多件發(fā)明專利，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。選擇在該企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)床進(jìn)行試驗，使得獲取的數(shù)據(jù)更有代表設(shè)定單位（0.004 mm）。說明在通常國產(chǎn)機(jī)床能達(dá)到的制造精度條件下，衡量機(jī)床移動0.001 mm位移的誤差沒有意義。另一方面，對于機(jī)床靜止不動的情況，按已有標(biāo)準(zhǔn)的計算方法，其單次移動的最小設(shè)定單位誤差為1個最小設(shè)定單位，能符合JB/T 8599.2—1997“推薦Sa不大于五個最小設(shè)定單位”的要求，但該情況很明顯不應(yīng)該屬于標(biāo)準(zhǔn)推薦的情況。因此，已有標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法存在局限性。性，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的研究結(jié)果更可靠。

表1 部分已有機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)中直線軸最小設(shè)定單位指標(biāo)的要求和試驗方法

該企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)床型號主要有CAM?DER1.6L、CAMDER2.6L 和 CAMDER3.6L。該類型機(jī)床共有4個直線軸，分別為X軸、Y軸、Z軸和W軸，其中W軸是實現(xiàn)鉆削功能的軸，各直線軸最小設(shè)定單位均為0.001 mm。

按照表1中已有標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法對型號為CAMDER3.6L的機(jī)床進(jìn)行試驗，每次給出一個最小設(shè)定單位的指令，即每次向機(jī)床某個直線軸發(fā)出移動0.001mm的指令，共給出20個最小設(shè)定單位的指令，向同方向移動，然后反向。測量并記錄各直線軸終端運(yùn)動部件的實際停止位置。試驗結(jié)果以散點圖表示，X軸表示終端運(yùn)動部件的理論位移（最小設(shè)定單位個數(shù)），Y軸表示其實際位移，如圖1所示。

從圖1機(jī)床各直線軸的位移情況可以看到機(jī)床在執(zhí)行1個最小設(shè)定單位為0.001mm的指令時，會出現(xiàn)靜止不動或者一次移動幾個最小設(shè)定單位指令的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況主要是因為機(jī)床受到如滾珠絲杠的傳動誤差、傳動部件的機(jī)械間隙、導(dǎo)軌的幾何精度、摩擦阻力和溫度等影響機(jī)床定位因素的作用。

從上面試驗的結(jié)果看，移動1個最小設(shè)定單位距離（0.001 mm），其產(chǎn)生的誤差可達(dá)4個最小

圖1 直線軸最小設(shè)定單位試驗結(jié)果（按照已有標(biāo)準(zhǔn)）

2.2 改進(jìn)的直線軸的最小設(shè)定單位試驗方法

現(xiàn)階段國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床最小設(shè)定單位一般為0.01 mm，較精密的機(jī)床為0.001 mm，已有標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法適用于最小設(shè)定單位為0.01 mm的數(shù)控機(jī)床，而最小設(shè)定單位為0.001 mm的數(shù)控機(jī)床在按照該方法進(jìn)行試驗時就會出現(xiàn)類似上面的試驗結(jié)果。因此，考慮到精密數(shù)控機(jī)床最小設(shè)定單位的情況，DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》中規(guī)定直線軸最小設(shè)定單位試驗方法如下。

先以快速使直線軸上的運(yùn)動部件向正（或負(fù)）向移動一定距離，停止后，向同方向給出若干個最小設(shè)定單位的指令，再停止，以此位置作為基準(zhǔn)位置。然后同方向移動20次，每次給出n個最小設(shè)定單位指令（最小設(shè)定單位為0.01 mm時，n=1；最小設(shè)定單位為0.001 mm時，n=10），測量各個指令的停止位置，從上述的最終測量位置，再繼續(xù)向同方向給出若干個最小設(shè)定單位的指令，停止后，向負(fù)（或正）向給出若干個最小設(shè)定單位的指令，使其約回到上述的最終測量位置，這些若干個最小設(shè)定單位指令不作測量。然后從上述的最終測量位置開始，每次給出n個最小設(shè)定單位指令，繼續(xù)向負(fù)（或正）向移動，使其約回到基準(zhǔn)位置，測量各指令的停止位置（見圖2）。

圖2 直線軸的最小設(shè)定單位試驗

相鄰?fù)Ｖ刮恢瞄g的距離與n個最小設(shè)定單位之差的最大值，即為最小設(shè)定單位誤差Sa，即：

式（1）中：

Li—n個最小設(shè)定單位的實際位移，單位為mm；

m—n個最小設(shè)定單位的理論位移，單位為mm。

最小設(shè)定單位相對誤差Sb定義為：

式（2）中：

圖3 直線軸最小設(shè)定單位試驗結(jié)果（改進(jìn)的試驗方法）

2.3 按照改進(jìn)后的試驗方法進(jìn)行試驗

按照DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》規(guī)定的試驗方法進(jìn)行試驗。因CAM?DER3.6L的最小設(shè)定單位是0.001 mm，因此每次給出10個最小設(shè)定單位指令，即移動0.01 mm的指令，然后同方向移動20次，然后反向移動。CAMDER3.6L各直線軸的試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3機(jī)床各直線軸的位移情況可以看出，該試驗中機(jī)床不會出現(xiàn)靜止不動的現(xiàn)象。

按照DB44/T 2103—2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》規(guī)定的試驗方法在各直線軸行程的中間及兩端三個位置分別進(jìn)行試驗，CAM?DER1.6L、CAMDER2.6L、CAMDER3.6L的試驗結(jié)果如表2所示。

2.4 最小設(shè)定單位技術(shù)指標(biāo)要求

表2的試驗結(jié)果顯示五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床各直線軸的最小設(shè)定單位誤差Sa不大于0.004 mm，最小設(shè)定單位相對誤差Sb不大于6%。

已有的機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)對最小設(shè)定單位誤差Sa沒有規(guī)定具體的數(shù)值，實際上很多數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)也未在其產(chǎn)品技術(shù)文件中規(guī)定最小設(shè)定單位誤差，造成該指標(biāo)無法評判。因此有必要確定最小設(shè)定單位誤差Sa具體值的大小，用于評判產(chǎn)品的合格與否。另外，由于十多年來，數(shù)控機(jī)床的精度普遍提高了，有必要將最小設(shè)定單位相對誤差（已有標(biāo)準(zhǔn)為25%）提高。

考慮到試驗的五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，故把標(biāo)準(zhǔn)的最小設(shè)定單位誤差Sa和Sb在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大，以使該標(biāo)準(zhǔn)更能體現(xiàn)該行業(yè)的實際技術(shù)水平，并引導(dǎo)技術(shù)水平相對落后的生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》要求“五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床直線軸的最小設(shè)定單位誤差應(yīng)不大于0.005 mm，最小設(shè)定單位相對誤差不得超過10%?！薄?/p>

表2 最小設(shè)定單位試驗結(jié)果

3 結(jié)論

DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床技術(shù)條件》在研制的過程中力求方法科學(xué)，貼合實際，可操作強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)最小設(shè)定單位指標(biāo)的研究結(jié)果如下：

（1）現(xiàn)階段大多國產(chǎn)較精密的數(shù)控機(jī)床的最小設(shè)定單位已提高到0.001 mm，已有標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法適用于最小設(shè)定單位為0.01 mm的數(shù)控機(jī)床。因此，考慮到精密數(shù)控機(jī)床最小設(shè)定單位的情況，該標(biāo)準(zhǔn)在參考已有數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于較精密的數(shù)控機(jī)床。

（2）很多數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)未在其產(chǎn)品技術(shù)文件中規(guī)定最小設(shè)定單位誤差，根據(jù)已有標(biāo)準(zhǔn)該指標(biāo)無法進(jìn)行評判。因此該標(biāo)準(zhǔn)中將五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床的最小設(shè)定單位誤差Sa的上限值設(shè)定為0.005 mm，使產(chǎn)品有了評判依據(jù)。

（3）隨著數(shù)控機(jī)床精度的普遍提高，25%的最小設(shè)定單位相對誤差對于五軸鉆銑復(fù)合機(jī)床來說要求偏低，故將其上限值設(shè)定為10%。

參考文獻(xiàn)：

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［3］JB/T 8329—2008.數(shù)控床身銑床技術(shù)條件［S］.

［4］JB/T 8648.2—2008.鉆削加工中心第2部分：技術(shù)條件［S］.

［5］JB/T 10792.2—2007.五軸聯(lián)動立式加工中心第2部分：技術(shù)條件［S］.