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数控机床支撑地脚性能提升探讨

时间:2022-03-21     作者:山东万汇数控机床有限公司【原创】

数控机床地脚安置于机台下方,用以支撑机台的结构重量与调整其水准精度,是机器安装使用的重要基础部件。地脚的各项主要作用说明如下:

(a)将数控机床支撑安置在地面上,支撑床身重量并承受机台切削力与移动件移动时产生的倾覆力矩,防止机台位移。

(b)能传递与吸收机台与外界振源的部分振动。

(c)能调整机台的安装水平精度与维系其精度。

在机台开始制造组装与安装定位时,安置地脚支撑机台并透过调校地脚螺栓来确保机台水平精度,是首先且重要的工作,显示地脚的设计、正确选用与应用对数控机床精度与性能的维持有重要影响。根据地脚是否与地基紧固结为一体,可以将机台支撑安装方式分为:(Ⅰ)地脚与地基紧固为一体的刚性连接;(Ⅱ)垫铁与地基接触但不紧固的弹性连接等两种形式。中小型高精度数控机床移动部件重量较轻,振动量小,为了方便安装与精度调校,多采用弹性连接方式,图一所示为业界常用各种连接地脚型态,其中图一(a)到(c)都属弹性连接,图一(d)则为刚性连接形式。而图一(a)的地脚是用地脚螺栓串接床身底座结构与垫铁,再由垫铁与地基(或地面)接触,以地脚螺栓与垫铁组成的结构简单与价格便宜,也方便实施水平精度调整,是业界采用较多的传统地脚形式,也是本文讨论的目标。

一些厂家在机台开发与使用时,很容易忽略地脚的影响而面临以下的状况:

(1)地脚没有妥善的设计与选用:地脚螺栓与地脚垫铁组配结合外型尺寸、及材质各有不同,所能承载的荷重并无规范,只是依设计者的喜好评估或大略放置,而未考虑这些地脚的组配参数会影响机台支撑刚性、动态性能与机台几何精度的稳定性。

(2)未重视地脚的精度与品质:地脚螺栓与地脚垫铁组配结合的结合面粗糙且无规范要求,一些垫铁结合面不平整且杂油漆粉尘,造成地脚的接触品质不一,影响地脚接触刚性等性能。

(3)地脚调教水平精度的落后:地脚支撑水平精度的良窳与否影响床台进给轴直线度与扭曲精度等几何精度与磨耗状态,是维系机台精度寿命的关键因素。然而目前厂家机台的水平精度未有可依循规范或少有量化数据,水平精度不易提升。分析可能因素为目前水平精度调校多使用气泡式水准仪+技术人员经验实施检测,除了受限于气泡水平水平仪本身的0.02mm/m精度外,观测气泡在刻度尺位置容易受到人员观测角度与经验的影响,导致在水平调校时造成观测误差、导致水平精度提升的局限性。

(4)个别地脚支撑的负载不均现象:地脚布局不佳或水平精度调校失当,有时会使个别地脚负载承受不均,受力较大的地脚螺栓较易发生潜变,影响机台水平精度并使床身导轨安装基准变化;而导轨的基准变化将加剧导轨滑块的磨损变化,机台轴线几何精度丧失,降低机台的精度保持性。

本文仅初步探讨个别地脚接触刚性的影响参数,希望作为地脚性能改善地的参考。此外,并搭配地脚支撑调校对机台精度影响的探讨,寻求提升数控机床支撑水平精度的建议方案。

                                              


地脚支撑性能提升的优势

若在数控机床设计与使用上能强化地脚支撑的性能来产生以下的优势,是提升机台性能的选项之一,说明如下:

(1)增加数控机床的动态特性:地脚的排列分布与支撑性能会影响机台动态特性(即模态参数),妥适的设计地脚模组数目可调节并提高结构的固有频率,以利于避开机台的工作频率。许多文献的研究都揭露了此一效果,例如文献[1]的研究结果显示,定柱式龙门加工机地脚支撑刚性的增加,会提升机台整体的自然频率数值。此外,地脚螺栓处筋板厚度结构优化也有助于机台动态性能的提升,由于床身部件是通过地脚螺栓与地面固定连接,地脚螺栓的安装部分为方便安装如图二所示设计了一个凹陷空间,此空间与床身底部形成的筋板厚度成为床身部件刚度较薄弱的环节,文献[2]分析显示增加此处筋板厚度,也能提升机台的固有频率。

(2)改善数控机床的运动精度:精密数控机床组装前需找寻一绝对基准线当作所有精度之来源,而大自然界最客观之基准线即为海平面之水平线,所以机械组装时,首要工序即是机械底座调校水平,让往后组装生产与使用过程中皆有一固定之基准可依循,因此机台水平精度是所有几何精度的基础,如果水平产生误差就会影响机台几何精度表现,这与地脚布局与支撑精度有着直接影响,例如:机台水平精度会影响溜板移动对车床主轴中心线的平行度;铣床主轴回转中心线对工作台面的平行度;磨床工作台移动在垂直平面内的直线度..等等[3]。精机中心相关的实验结果[4、5]也显示改善机台地脚支撑的水平精度,有助于提升机台的轴向的运动直线精度、扭曲精度等。

(3)维系数控机床的精度稳定性:机台使用时,若地脚螺栓负载不均,个别地脚中受力较大的螺栓潜变较快,导轨安装基准变化,同时导轨的基准变化将加剧导轨滑块的磨损,轴线几何精度较快损失而影响数控机床精度保持状态。因此确保地脚支撑负载的合理性、均匀性与较佳的水平精度,将可减缓个别地脚发生潜变的现象,同时保有更多的储备精度来延续机台的精度稳定性。



提升地脚支撑性能的设计分析

由赫兹接触理论分析地脚的接触刚性可知,地脚接触刚性主要受螺栓与垫铁几何构型、材质等参数的影响,改善螺栓接触R角与材料E值都能降低接触变形提高地脚接触刚性。此外,也透过分型理论了解提升螺栓与垫铁接触表面粗糙度可提升地脚的接触刚性[5]。因此整理并得到以下提升单一地脚支撑刚性的方向:

(a)增加地脚螺栓与垫铁接触面积(加大接触R角半径)

(b)改善地脚与垫铁接触面的表面粗糙度

(c)垫铁材质的选取(钢材或铸铁)

依此规画地脚在不同表面粗糙度与材质其接触性能与刚性分析与实验,并说明如下:

(1)单一地脚接触R角变化对接触性能影响分析:主要针对了地脚螺栓与垫铁的接触面上,在垫铁尺寸以及材料不改变的情况下,调整地脚的圆弧R角尺寸,以有限元素分析接触负载与变形状态,进而得到较佳的接触刚性。图三为分析时采用的R8mm、R30mm和R60mm三种地脚螺栓R角组配形式。

单一地脚模组建模时设定地脚螺栓与垫铁各别的材料,主要采用两种材料-钢与铸铁,接触条件设定:设定皆为黏合不会有相对位移,垫铁底端固定拘束,网格化:将其尺寸切细为1mm,负载施加时假设一台数控机床六吨重,然后由六个地脚模组平均分担,每一组地脚约负载1000Kg。单一地脚螺栓R角变化承受负载后的分析结果如图四与图五所示。由图四中可知随着R角的增加,可以让垫铁接触面上受力的面积变大,使得力量得以更平均的分散在垫铁上面。由图五可知随着R角的增加,螺栓与垫铁承受负载后最大变形都是减少的趋势,显示地脚螺栓与垫铁间的接触刚性也随之增加。

(2)地脚螺栓R角对支撑机身变形影响分析:以三种不同R角地脚螺栓+垫铁(垫铁的尺寸一致)支撑实验机台底座结构,分析底座在不同R角地脚支撑下,结构自重变形情形。由图六(a)为分析模型。图六(b)不同R角地脚支撑状态下结构变形分析结果。螺栓地脚螺栓R角增加后可些微降低机台的自重变形量。

(3)地脚螺栓R角变化对支撑机台构件频率的影响分析:进行实验机台底座在不同地脚支撑下的模态分析,图七所示为以R8和R30两种不同R角设计地脚螺栓支撑下的底座前三阶自然频率分析结果,随着支撑地脚的R角增加,其对应的支撑结构自然频率也随之增加,也显示改善地脚支撑刚性有助于提升所支撑机台结构的动态性能。




地脚接触性能的实验探讨

地脚静刚性实验模组
透过设计地脚静刚性试验载具进行地脚性能的实验探讨,实验载具构造如图八所示,由固定基座、地脚螺栓试件、垫铁与加载螺帽、荷重元(Loadcell)与电容式位移计等元件构成。实验载具的上端设计加载螺帽锁在地脚螺栓上,并可藉由数位扭力板手施加扭力于螺帽,使地脚螺栓与垫铁接触,用来模拟地脚螺栓结构承载机台结构等荷重。并利用加载螺帽与垫铁之间的荷重元量测所施加负载力量,固定在支座下端的电容式位移计量测施加负载后地脚螺栓位移变化,透过量测资料分析处理,进而求得不同地脚结构组配参数下的接触刚性状态,目前规划的地脚实验参数如表一所示,实验操作程序与实施照片如图九所示。

三种R角地脚组配型式的接触压力感测试验结果
将感压胶膜置于地脚螺栓与垫铁之间,施加相同锁固扭矩,图十为三种不同R角地脚在相同锁固负载下以压力感测胶膜实施接触压力感测试验结果,观测图形可知,可以发现压痕宽度为R60>R30>R8,在相同锁固扭矩作用下R60的地脚螺栓有较大的接触面积可以承受负载变化。

不同表面粗糙度的地脚静刚性试验结果
在表面糙度对地脚接触刚性的实验方面,完成地脚螺栓与垫铁在不同表面粗糙度(Ra1.6、Ra6.3、Ra25)下的地脚静刚性实验,图十一在不同表面糙糙度下R8地脚模组之负载与静刚性关系图,实验结果显示地脚模组接触面表面粗糙度越小(表面品质越佳)时其地脚螺栓与垫铁的接触刚性愈高。

垫铁不同材质的地脚静刚性试验结果
不同材质(钢材S45C与铸铁FC30)垫铁的接触负载与静刚性实验结果如图十二所示。观测R30、R60两种地脚螺栓与不同材质垫铁的接触的静刚性实验结果可知,若是在较低的负载下垫铁材质使用S45C与FC30其刚性两者差异不大,但随地脚支撑负载的逐步提升,在较大的负载状态下使用S45垫铁材质较FC30有较佳的接触刚性,而对机台阻尼的影响,铸铁的材料阻尼系数较钢材为高,然而增加阻尼的效果仍待进一步的验证。此外,由于一般螺栓都是高强度钢材,若垫铁也选用钢材,其结合面在高压负载作用下是否会发生冷焊(Coldwelding)而影响其支撑状态仍需再探讨。




提升地脚支撑机台水平精度的措施

以数位式扭力板手+电子水平仪施加调校负载并提升水平精度
数控机床安装时需要调整地脚支撑基座的水平精度,确保床台的平面精度,与各轴直线度的维系,目前常见方式是透过将气泡水平仪置放在工作台上,以一般扭力板手调整地脚螺栓微量改变床台姿态,让水平仪气泡尽量位于水平仪中央刻度。如之前所述受到气泡水平台本身精度限制(※气泡水平仪精度0.02mm/M),以及观测气泡在刻度尺位置容易受到人员观测角度与经验的影响,导致在机台在支撑水准调校时造成观测精度、扭曲精度与直线精度提升的局限性。

因机台的重量达上吨以上,以板手旋转螺栓来调节支撑床台的移动姿态并不灵敏,且仅观测床台上水平仪数值来调整,不知所施加扭矩的大小,也忽略了个别地脚承受负载均匀性,而容易导致单一地脚可能承受较大负载与变形,造成机台在使用时易发生床台扭曲变形,加快机台的运动磨损与精度降低。

本文以目标卧式机台底座三点支撑为精度基础,透过数位式扭力板手+精度达0.002mm/M的电子水平仪(或数位角度检测装置)调校地脚支撑水平精度,检测实验机台的扭曲精度与运动直线度变化情形,希望透过数位化的精密工具,检测施加于螺栓的扭矩数值与提升机台水平精度。实验结果指出:如图十三藉由数位扭力板手与电子是水平仪搭配进行地脚支撑力调整,可以达到1um/m的水平调整精度,如此可均匀调整各地脚负载力量,提升机台基础支撑精度。图十四是透过以三点支撑为基础,进行目标机台精密地脚调校实验前、后的机台直线精度与平面扭曲精度量测结果,机台Y轴的平面扭曲精度由9.52um改善为4.31um,精度提升50%以上。

数控机床地脚调校水平精度调校导航模组
目前国内采用的大多数都是气泡水平仪,不仅精度仅达0.02mm/M,操作时也需要较多经验,要便捷快速的实施高精密水平调整有一定的操作门槛,此外气泡水平仪量测结果也需自行换算转换成倾角误差和自行纪录,气泡水平仪工具使用的限制导致不易提升业界机台水平精度调校的技术能量,也限制了量测结果数位记录与应用的发展。

为了让一般操作人员也能迅速准实的进行机台水平精度,降低水平精度调教技术门槛,精机中心以电子水平仪为量测工具,透过:整合无线通讯、讯号处理、水平精度原理探讨、APP软体开发与实验测试等技术,如图十五所示针对开发机台水平精度调校导航模组,目前已进行引导模组的雏型装置测试。这种透过以电子水平仪作为量测工具,并将量测精度结果透过无线传输到个人的可携式电子装置显示,藉由水平精度调校导航模组的计算,并引导操作人员进行机台地脚支撑水平精度的调校、与完成水平精度纪录等工作。



优化数控机床地脚设计,提升机台性能与精度状态

数控机床的地脚直接影响机台的精度、性能与稳定性,是支撑机台的基础关键组件,本文说明了地脚使用常被忽略的状况,以及地脚支撑性能提升所衍生的优势,并藉由分析与实验探讨改善地脚支撑性能与提升机台水平精度的措施,得到以下的成果:

(1)透过增加地脚螺栓与垫铁的接触面积(例如:接触R角设变),可以减少地脚模组接触变形,增加接触刚性,增加机台结构的自然频率,改善动态性能。目前业界一些机台地脚螺栓接触半径约在3mm
8mm,显示在设计地脚接触半径有些许增加的空间。

(2)地脚螺栓与垫铁间的表面粗糙度较佳,其会有较小的接触变形量;而垫铁材质使用S45较FC30有更佳的接触刚性。由于业界目前使用机台支撑地脚接触面多为初坯或粗加工型态,且未考虑使用材质的差异性,本文成果将有助于提供业界作为改善地脚接触性能的实施参考。

(3)采用数位式扭力板手+高精度电子水平仪等设备,协助行调教进行机台水平精度调整,可透过数位扭力板手检测与掌握施加地脚螺栓的扭矩,借此确保地脚承受负载的均匀性,并透过电子水平仪的应用改善气泡水平仪在使用与精度的限制因素,进一步提升数控机床地脚支撑的水平精度与稳定性。

(4)发展以电子水平仪为检测工具的机台水平精度调校导航模组,透过便捷的数位化水平精度调校引导工具,可提供产业界人员克服目前在机台水平精度精密检测与调校的困难点,对提升机台在组装制造与应用时的几何精度与稳定性表现,有相当的助益,并符合机台数位化组装潮流的发展的趋势。

此外,能充分发挥机台性能的地脚布局设计也不能忽略,因此在设计阶段针对机台支撑地脚的布局,可以妥善运用3D绘图软体与有限元素分析,例如以3D软体求得机台重心,机台床身水平与垂直轴线的运动直线度为设计目标,以地脚的数量和间隔为设计变数,进行满足床台在自重变形下较佳直线运动精度的分析,得到优化的地脚螺栓布局设计[11],借此良好的地脚支撑来提升机台性能与精度状态。


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