附录B 外文原文
Improving CNC Machine Tool Geometric Precision Using Manufacturing Process Analysis Techniques
Abstract
With the ever increasing demands for higher and higher accuracy on modern CNC equipment, the manufacturing processes for machining and assembling the structural components are an increasingly important factor in establishing a geometrically correct machine tool. Specifically, flatness, perpendicularity, parallelism, and straightness of interfacing surfaces determine whether the machine toolrsquo;s basic accuracy. Exhibiting less geometric error allows other errors such as thermal growth, ballscrew pitch error, and control error to be isolated and more easily corrected.
The geometric errors are predominately a factor of the machine tool machining and assembly process. Multiple orientations during fixturing in both assembly and machining result in significant distortions to the final assembled product. These are a result of cutting forces, fixturing deformations, gravity deformations, and bolt force deformation. By analyzing each process in detail using virtual simulation techniques, a high-fidelity model of the corresponding error at each manufacturing step can be achieved that is not physically measurable due to constraints of measurement equipment. Using simulated data as offset data in the machining process as well as in the jig and fixture design ensures a geometrically accurate final product.
Selection and peerSelection and peer-review under responsibility of the International Scientifi-review under responsibility of the International Scientific Committee of the 6th CIRP International Conference on High c Committee of the 6th CIRP International Conference Pon High Performance Cuttingerformance Cutting.
Keywords: Simulation; machining accuracy; machine tool manufacturing; FEM
1. Introduction
Precision manufacturing of machine tools is very evolutionary in nature. Incremental experience based improvements are steadily achieved and as the machinery itself advances in precision, the components that make up the next generation of machines also improve. This, together with value added by skilled craftsman results in ever increasing accuracy of machine tools.[1] However, decreasing product life cycle times and competitive nature of the machine tool industry dictate that incremental improvements to machine tool accuracy are not sufficient. Moreover, the practical limit of cost effective machinery to produce parts with high precision puts a physical limit on the level of precision that can be used in the manufacturing process.[2] Processes that produce tighter tolerances than conventional machining and grinding tend to be cost prohibitive and are not able to be widely adopted into the process chain. It therefore becomes important to find a way to improve the process using
Fig. 1 DMG Mori Seiki NHX4000
1.1. Virtual modeling uses in machine tools
A very promising method that could be used to analyse the manufacturing process is Finite Element Modelling and other forms of virtual simulation. In the last five years, computing power has become mature enough to handle full complex models of machine tool systems in a very short amount of time. As an example, DMG Mori Seikirsquo;s Digital Technology Laboratory (DTL) purchased a 32 node Linux cluster for running simulationrsquo;s that took a desktop PC 30 days to solve. That cluster computer shortened the time to one day! Today, a desktop is able to beat that performance so virtually any level of computer simulation is now possible for machine tool systems.
Significant research has been done on how to use virtual modelling to test machine tool designs performance and is well summarized in a CIRP keynote paper by Altintas, et al. in 2005.[2] Research successfully accomplished has modelled machine tools from component level to full virtual prototype to prove that the traditional design cycle could be realistically shortened by eliminating physical prototype iterations. Analyses completed range from simple static rigidity models to complex dynamic models and thermal models. While there is still improvement to be made, this method of machine tool virtual simulation has rapidly become mature.
Another area that has been well studied is the use of FEM for the micro performance of individual components that have complex internal behaviour such contact models for ballscrews and damping behaviour of motion components. Robust component models are useful for improved product quality and also for developing higher bandwidth control algorithms. [3] Detailed contact models have been used to assist empirical testing of components to find damping values which are recycled for use in overall machine dynamic
Another considerable research area simulation is applied toward is simulation of the cutting process itself. These types of physical phenomena are often very difficult to add instrumentation and thus simulating the interaction is highly desirable. It is used to model cutting processes for surface finish determination, burr formation, chip formation, temperature dispersion, tool wear, and so on.Use in the prediction of chatter and cutting stability can also not go unmentioned. [7]
It is clear that computer modelling techniques are widely used for the benefit of machine tools and machining. However, this technology has not been deployed to study the manufacturing process of the machine tool itself. This is perhaps due to the proprietary nature of precision machine tools. Regardless, there is ample opportunity to apply simulation technology in order to improve the accuracy of machine tools. To achieve greater accuracy, the analysis will show areas of improvement to be made. This includes integration of cutting forces, fixture design, assembly order, and so on. The fixtures and jigs to put the machine together for high accuracy and repe
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提高数控机床的几何精度的制造过程分析技术
摘要
随着不断增加的高精度对现代数控设备的加工和装配要求，结构件的制造过程是建立正确的几何工具的一个日益重要的因素。具体而言，平整度，垂直度，平行度，直线度界面确定机床的基本精度。表现出较少的几何误差和允许其他错误，如热生长，滚珠丝杠的螺距误差和控制误差等。
几何误差的主要因素是机床的加工和装配工艺。多个方向在夹具在装配和加工导致显着的扭曲的最终组装产品。这是由于切削力，夹紧变形，重力变形，螺栓受力变形。详细分析了采用虚拟仿真技术的每个过程，每个生产步骤的相应误差的高保真模型是可以实现的，物理测量不再受测量设备的限制。使用模拟数据的偏移在加工过程中的数据以及在夹具的设计保证了最终产品的几何精度。
关键词：仿真；加工精度；机床制造；有限元
1. 引言
精密机床制造业是很自然的进化。增量的经验为技术的改进，精密机械本身的进步提供了基础，使机器的下一代提高了零部件的质量。这就像由熟练的工匠为提高机床的精度提供了附加价值。
然而，更短的产品生命周期和机床行业的决定了机床精度的改进不充分竞争的性质。此外，实际成本的限制，生产高精密零件的有效机械提出的精度水平，可用于生产过程中的物理限制。产生更严格的公差，比传统的加工和磨削加工往往是成本更高昂的，是不能够被广泛采用的链过程。因此，如何提高使用的过程是很重要的。
这是目前可用的设备。机器检查是nhx4000，400毫米托盘卧式加工中心在戴维斯的DMG森精机制作。
图1 nhx4000 DMG森精机制作所
1.1.虚拟机床建模的使用
一个很有前景的方法，可以用来分析制造过程的虚拟仿真的有限元建模和其他形式。在过去的五年中，计算能力已经变得成熟，在很短的时间内处理机床系统完整的复杂模型。作为一个例子，DMG森精机的数字技术实验室（DTL）运行模拟了台式电脑30天购买一个32节点的Linux集群的解决方案。集群计算机的时间缩短到一天！如今，几乎任何性能级别的计算机仿真击败机床系统是完全可能的。
研究如何利用虚拟建模工具的设计和性能试验机是由一个研究论文主题的院校在2005总结的。研究成功模拟了机床部件级全虚拟样机证明传统的设计周期可以通过消除物理原型迭代缩短。分析完成后，范围从简单的静刚度模型到复杂动力学模型和热模型。虽然仍有待改进，本机床虚拟仿真方法已迅速成为成熟的。
另一个地区，得到了很好的研究是对各个组件，具有复杂的内部行为，这种接触模型的滚珠丝杠和阻尼运动部件的行为的微观性能的有限元应用。强大的组件模型是有助于提高产品的质量，也为发展高带宽控制算法。详细的接触模型已经用于辅助组件的实证检验发现阻尼被回收用于整机动力学模型的价值。
另一个研究领域的仿真应用对是切削过程的仿真。这些类型的物理现象往往很难通过增加仪器来使模拟相互作用。它是用来确定模型的表面光洁度，切削过程中毛刺的形成，切屑形成，温度差，刀具磨损，等等。在颤振的预测和切削稳定性也不去提及。
很显然，计算机模拟技术被广泛用于机床和加工效益。然而，这种技术还没有被用来研究机床的制造过程本身。这也许是由于精密机床专有的性质。不管怎样，有充分的机会来应用仿真技术提高机床的精度。为了实现更高的精度，分析显示应改进的地方。这包括切削力，一体化夹具设计，装配顺序，等等。该夹具将机器在高精度和重复精度也很重要。这将是一个自然分析的结果。
1.2.几何测量的误差来源
对机床使用虚拟建模进行分析本身就具有一定的误差。具体地说，可以纠正错误的性质和可测量的可重复的几何。许多论文表达了很清晰的几何误差它们通常依赖于位置。在旋转轴的情况下，线性几何误差可以被假定为与旋转轴的误差可以忽略不计。然而，提高机床的生产加工精度的方法是适用于任何配置的机器工具。此外，直线运动误差的复合回转轴误差的补偿的不确定性，应尽可能地减少。本研究的重点是生产过程的结果，一旦发现错误，可以得到纠正。
2. 制造过程链的统计分析
生产精密数控设备，它是保证产品质量降低成本非常困难。因此，分析变量的生产周期和提高系统识别的重点领域有潜力提供最大程度的提高，无论是在精度和成本/质量，同时保持最小的中断生产。试图分析和优化每一个测量和公差将是理想的，但实际上它是不可行的。它也非常需要建立关键领域的统计链接在制造过程中对机床的最终精度。.
为此，进行了XY平面的统计分析。机床是一个复杂的机上测量和检查点，只有最相关的常见的切割操作需要分析。最前沿的是二维轮廓在xy平面，直接影响XY精度的运动链中的测量被用来研究的统计关系。为了得到一个合理的样本大小，30台机器进行采样的人口约150机生产。
为了进行统计分析，数据的形式被建立。那就是，要依靠数据的正态分布假设，数据必须检查正常。用Z评分正常的情节是建立正态分布的一个可以接受的方式。的双球规圆
度测量正常的情节有一个R 2值0.96具有高度的线性回归线。另一组数据也有类似的行为，所以这是假设30台机器的数据样本的正态分布和基本假设的正态分布可以应用。
图2 检查测量数据的分布类型正态图
表1 30 nhx4000机样本统计的DBB测量
|
30样机的DBB测量 |
|
|
平均值 |
0.003997 |
|
标准误差 |
0.000125 |
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中值 |
0.004 |
|
最小值 |
0.0025 |
|
最大值 |
0.0049 |
|
可信度 |
0.000345 |
该方法用于比较各参数，得到初始的加工结果和最终精度测试之间的相关系数。因此，开展相关矩阵之间的测量已完成。这允许快速查看哪些参数可能有强，中，弱，或没有关系。系数0.4强而0.3岁以上中度
表2之间的相关系数为xaxis DBB测量与加工结果
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DBB系数 |
||||
|
GXY(CW) |
GYX(CCW) |
G(b) |
||
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左后的直线度 |
0.1143 |
0.0427 |
-0.277 |
|
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X前导轨直线度 |
0.3181 |
0.3389 |
0.4159 |
|
|
轨道平行度 |
0.3492 |
0.3919 |
0.6093 |
|
它被确定在切削试验的组装机个人铸造精度圆度和直线度之间有着很强的相关性。X轴有强烈的相关性。Y轴之上的X轴X轴和误差传播通过该运动链的工具提示。此外，大运动块上的X轴引起的局部变形的X轴的初始精度直接增加了局部变形。此外，X轴铸件（床）是在一个大东芝龙门铣床加工（MPC）在Y轴（列）是在一个紧凑的卧式加工中心加工（nhx10000）。nhx10000的展品比东芝MPC较高的准确度和重复性程度。
统计分析的结论是，提高X，Y和Z的几何性质，铸造加工轴的X轴上的重点将导致最终直接提高机床精度。
3. 加工过程
加工过程包括各种变量。摘要进行密切的两个变形由于夹具设计和变形由于切削力本身。重力是一组默认的加载,应用在整个制造过程。
3.1. 夹具的影响
在切削加工中使用的夹具有四个标准，必须分析1．铸造由于夹紧力大变形
2．铸件的加工过程中的最小变形足够的支持
3．中性定位避免回弹后切割夹具释放。
4．足够的支持和定位以减少重力引起的变形。
图3 NHX4000系列夹具加工
对于NHX4000、夹具主要发现足够的设计方面的支持和夹紧的一个例外。图3所示的右下方夹从支持导致几乎抵消2点位移显示在图4。
图4右下夹紧变形位置NHX由于夹紧力
由于设备的限制，铸造部件可能需要在不同的加工组装取向。这可能会导致过度的铸造部分重力变形。在下面显示的列的情况下，横向夹具定位的结果是一个大于4点的Y轴的直线度误差。
图5两个Y轴导轨上的重力变形
图6 y轴导轨夹具加工时变形图
床铸造有类似的结果，但由于是在加工组件的方向，自重力作用被取消，并且该加工夹具是用于强度更高的机床。
3.2. 切削力的作用
切削力可以相当容易地预测和仿真。 Altintas提出了一种广义切削力模型适用于广泛范围的铣刀具有给定几何形状和切削条件的。值得注意的是，在切削力作用相比于重力作用很小时，在研究中可以假设的被忽略。
4. 装配工艺
4.1. 工装夹具设计
机床的零件被组装在尽可能最佳效率分开的单元。X和Z导轨直接安装到床上，而是在Y轴轨道被安装在一个独立的站的列。对于装配工人能够有效地放置和测量的安装和调节过程中的轨道时，列必须放置在水平方向上朝上导轨的夹具。稳定性和安全性，图7为一个四点夹具最初的设计。
图7 四点夹具安装的第一步
分析表明，夹具调整严重的敏感性。在一个夹具支架的高度只有4点的增加导致在一个平行的3.5时为y-rails误差。在这种情况下，夹具的腿没有微米级的调整能力作为他们的高度调整是通过定期的SAE机线确定。因此，装配调整中的人为的变形状态的并行性。变形状态释放后列从夹具移除，竖立在Y轴失去平行。由于并行性是高度依赖于夹具调整，变形也不可重复和不可补偿的加工过程。
图8由于错位装配夹具导致的3.5时的变形
解决方案是在导轨上用三点固定支撑。虽然柱仍然变形，由于重力，导轨变形几乎对称，没有敏感的
夹具高度小的变化。这会在4.2节中更详细的讨论。其结果是一个可重复的重力变形，可在加工步骤的补偿。
图9 三点支撑夹具的装配步骤的第一步
4.2. 定位结构
当一个组件如柱组装在一个方向有利于高效的装配工作，如在上一节讨论，重力会在这一步的测量中发挥作用。这种引力效应可以有效地抵消了解变形和随后的装配调整过程中占。
采用三点支撑时，柱的变形，但它将是可预见的，依赖于三点位置。因此，必须始终使用相同的三点的位置，每次测量列为了确保测量的重复性。此外，因为它是理想的精确测量的Y导轨的平行度，点应选择导致平衡导轨的Z向变形。同时，Y导轨变形等量所以并行保时，柱的定位。下面的图显示了三点的位置，基于有限元分析的重力变形选择。点略有偏移向电机支架侧。这个偏移抵消一侧肿块。同一地点的质检和装配过程中使的。
图10 三点支撑位置装配第一步
4.3. 安装顺序
在组件被固定在机体的秩序造成大的局部变形在机床结构由于各部件的质量大。当该轴运动系统严格的公差已经安全。
在早期阶段，然后大量添加次要的设定精度，各轴精度保真度可以完全失去了。这不可能总是在最后的精度测试是明显的全机包膜通常不进行测试和局部变形可能产生不利影响的只是局部的部分的信封。然而，整个机器的详细的检查将揭示的信封在各种工作包络位置不足。因此，建议检查添加在每个装配步骤通过有限元质量的影响。
减少这种影响的一个方法是解决运动组件安装后沉重的子单元的装配过程。然而,在很多情况下这是不可行
的,因为进入工作区域时抑制子单元连接,也因为铸件本身仍然看到了变形。
一种有效的解决方案是模拟装配顺序,并记录产生的变形。因为这是高度可重复的,可以直接做铸件加工补偿抵消变形,组装单元后获得一个中立的变形。
图11 在装配过程中大变形的影响
4.4. 运动部件的影响
最后分析了组合机床运动轴在重力荷载作用。为X轴，相对刀具的位置是在更高的中间行程时，由于在床的前部和后部的X导轨之间不同的变形。后方的X导轨具有正弓而前Xrail具有负弓沿输入xstroke柱移动。这导致在轨道高度差传播到Y的2.3点误差在从端部工具尖端的行程的中间！调整的方法是在后导轨积极冠。该数据示出在下面的图。
图12 反对X-rail变形前/后在x轴上的运动
图13 动轴组件的有限元模型
5. 最终加工结果
5.1. 加工计划
每个组件都一个基于前一个分析结果而制定的加工计划。这个计划是累积的。在下列情况下，最大的应在Y行程相对变形。QC过程中在测量仰卧时应加上重力变形，变形减重力变形直立。一个表面的加工补偿目标的一个例子是在图14中提供
图14 加工计划中的反变形曲线
5.2. 与其他设备的比较
在戴维斯，日本进行生产过程的分析。 DMG，森精机还拥有伊贺，日本的工厂生产同样NHX4000机。要明白，如果戴维斯所采用的方法是真正发挥作用，戴维斯和IgA结果的箱形
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