應用H 型驅動結構設備精度檢驗項目分析與研究

馬 薔， 李嵩松， 龐瑞峰， 劉曉亮， 張希文

（1.北京金隅科技學校， 北京 102403； 2.北京京城增材科技有限公司， 北京 101116）

0 引言

精度是各類機械設備的基礎， 是設備完成生產任務的保障，保持設備的幾何精度至關重要。設備精度是指設備主要部件的形狀、 相互位置及相對運動的精確程度，包括幾何精度、傳動精度、運動精度、定位精度和精度保持性能等五個方面。 其中最重要的是機械設備相關部件的靜態幾何精度。

1 H 型驅動結構設備

H 型驅動結構是結構穩定且具有高剛度、高效率、高精度、高性能、高可靠性的框架式結構，廣泛應用于鑄造砂型3D 打印機、H-Bot 型3D 打印機、激光晶圓切割機、芯片抓取機械手等設備。 應用H 型驅動結構的設備基本組成結構如圖1 所示，雖然各類設備的應用領域不同，但對于設備工作精度的要求都很高， 要達到設備最終工作精度要求，就要在設備的設計、零件加工制造、產品裝配、檢驗等生產全過程中遵循精度檢驗要求。 特別是設備出廠精度檢驗環節是一項非常復雜的工作， 它直接關系到設備的功能、可靠性、工作精度。 檢驗工作包括對設備的機、電、液和整機綜合性能及單項性能的檢測，另外還需對設備進行剛度和熱變形等一系列試驗， 檢測手段和技術要求高，需使用各種高精度儀器設備。

圖1 應用H 型驅動結構設備示意圖

2 H 型驅動設備的精度

應用H 型驅動設備的精度主要包括靜態幾何精度、定位精度、實際運行精度三方面。

靜態幾何精度反映設備的關鍵機械零部件 （如基礎框架、橫梁、執行部件驅動導軌等）的幾何形狀誤差及其組裝后的位置誤差，包括各直線運動軸自身的直線度、各直線運動軸之間的平行度和垂直度、 執行部件裝配所需的平面度、直線度、平行度和垂直度等。

定位精度是指所測量的電控設備運動部件在控制系統控制下要到達某個坐標值和實際到達的位置之間的差距大小， 它與設備的幾何精度共同對設備實際工作精度產生重要的影響， 尤其在設備位移動作中的位移距離誤差具有決定性的影響。

實際工作精度是指設備在實際運行過程中所表現出的實際值與理想值之間的符合程度。 如：3D 打印成形零件加工后的幾何參數（尺寸、幾何形狀和相互位置），芯片抓取機械手的準確抓取率等。

3 H 型驅動結構幾何精度檢驗項目分析

H 型驅動結構設備的幾何精度檢驗項目總體分為五大類，分別是設備的框架基礎精度，框架導軌精度、橫梁基礎精度、橫梁導軌精度、相關配套部件精度。 應用至具體產品時需要進行必要的選擇。

3.1 基礎框架精度

設備基礎框架是整臺設備的安裝基礎， 它是橫梁移動或工作部件移動過程及實際工作過程中使整臺具有足夠的剛度和精度的重要保障。

對于應用H 型驅動的設備基礎框架主要分為三類：第一類為焊接結構件，第二類為鑄鐵件，第三類為大理石結構件。焊接結構件和鑄鐵件應用于常規機械設備，數控機床、搬運機械手、3D 打印機等。 大理石結構件主要應用于精度較高的激光晶圓切割機，光刻機，三坐標測量機等。

基礎框架精度是整臺設備裝配調整的精度基礎，主要為導軌安裝水平安裝面和豎直側基準面精度以及調整檢測基準面精度。設備基礎框架精度主要包括：框架導軌安裝面在X/Z 平面內的直線度， 相鄰框架導軌在X/Z 平面內的平行度，豎直側基準面在X/Y 平面內的直線度，相鄰導軌豎直側基準面在X/Y 平面內的平行度。 如果框架單側為雙導軌結構還需要增加單側雙導軌安裝面的直線度、平行度。 如圖2 所示。 根據H 型驅動設備的行程不同導軌精度要求也不盡相同。 大型設備（3D 打印機、抓取機械手等）導軌行程較長，導軌安裝精度既要求每米精度又要求全長精度。 同時還要根據框架所承受的載荷要求導軌安裝面的誤差方向。 對于小型設備 （激光晶圓切割機等）行程短，直接要求導軌安裝面全長范圍內的精度值。

圖2 H 型驅動設備框架精度檢驗

為達到設備整體精度，基礎框架設計要從材料，導軌安裝形式，裝配調整方式等方面考慮。 材料方面：基礎框架優先選用型材焊接結構件， 焊接完成后需要對焊接件進行去應力退火，滿足精度穩定性要求。也可選用灰鑄鐵HT250，此類鑄鐵具有高的抗壓強度、優良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性，適用于承受壓力及振動。 導軌安裝形式方面： 根據結構需要盡可能選擇導軌和驅動執行件（絲杠、齒條等）分開的結構，便于裝配調整和檢驗。 裝配調整方面： 在基礎框架底面應設計有專用的雙方向調整墊鐵用于調整導軌安裝底面與側基準面的直線度與平行度。

3.2 框架導軌精度

框架導軌在主流H 型驅動設備中一般選用精度較高的直線導軌或氣體靜壓導軌， 這兩類導軌的特點是摩擦系數低， 運動部件所受摩擦力小， 對安裝面精度要求較高。裝配需要在框架導軌安裝面合格的基礎上進行，對裝配工藝要求較高，首先要保證安裝基準面清潔，安裝導軌前對安裝基面進行去毛刺處理， 其次要將導軌與安裝面貼合并按規定順序緊固螺栓， 緊固完成后使用塞尺進行檢驗，最后進行導軌直線度和平行度的復驗。

如果基礎框架導軌精度檢驗項目超差， 在設備工作過程中就會產生以下問題： ①運動部件定位精度和重復定位精度無法達到使用要求；②驅動電機電流突變；③加工類設備加工出的零件直線度是導軌直線度的復映；④插補進行圓周運動時會影響圓度和圓柱度。

3.3 橫梁精度

在應用H 型驅動的設備中橫梁主要是連接執行部件與框架的連接部件。 執行部件在橫梁的安裝位置隨設備不同而不同， 隨執行部件安裝位置的變化橫梁部件的加工要求和精度都有變化。 例如：桁架式機械手，高架式龍門鏜銑床等執行部件需要進行上下往復運動， 執行部件在橫梁的安裝面應與框架導軌垂直， 保證橫梁能夠承受顛覆力矩，如圖3 所示。 如執行部件產生較大的顛覆力矩，橫梁可以采用階梯式導軌結構。 3D 打印機或晶圓切割機工作臺等執行部件為單一箱體類部件，無需進行上下往復運動， 執行部件在橫梁的安裝面可與框架導軌平行，如圖1所示。

圖3 執行部件安裝示意圖

在應用H 型驅動的設備中橫梁精度是重點保證的精度，主要包括：橫梁部件自身的直線度和導軌間的平行度； 橫梁移動時橫梁導軌對框架導軌的垂直度；執行部件橫向移動在Y/Z平面內的直線度； 執行部件橫向移動在X/Y 平面內的直線度。

如果橫梁精度檢驗項目超差， 實際運行過程中會產生以下問題：①執行部件機械定位精度超差；②執行部件垂直運動時直線度超差； ③執行部件垂直運動軌跡與水平面的垂直度超差。

此類精度為H 型驅動的設備的關鍵精度， 達到精度要求同樣需要從設計、加工、裝配三方面考慮。 橫梁基礎件設計時根據執行部件的重量，安裝面位置，橫梁跨度，執行部件顛覆力矩等因素采用預變形工藝思路進行結構設計。 橫梁加工過程中要嚴格控制各條導軌安裝面的精度， 橫梁加工要保證導軌安裝面和框架導軌結合面的平行度、垂直度。裝配時要保證橫梁結合面與框架導軌滑塊安裝面的接觸精度， 此處結合面為重要結合面通過刮研保證精度。

3.4 相關配套部件精度

在應用H 型驅動的設備中相關配套部件主要為執行部件和承載部件。 其中執行部件主要包含：抓取機械手、3D 打印機打印頭、數控機床的鏜銑頭、車削頭等部件。 承載部件主要為生產線運送被抓取零件的托盤、3D 打印機的可升降工作臺等承載部件。

對于執行部件的裝配精度主要為：第一、執行部件運動對橫梁導軌的垂直度，第二、有承載部件的設備執行部件運動對承載部件的平行度和垂直度。

如果執行部件精度檢驗項目超差， 實際工作中會產生以下問題：第一：工作中執行部件重復定位精度低；第二：加工垂直面垂直度超差；第三：在平面工作過程中精度保持性較低。

對于承載部件的精度主要為：承載部件上端面的平面度；有升降運動的承載部件，承載面的運動的角度偏差。

如果承載部件精度檢驗項目超差， 實際運行中會產生以下問題。第一：平面加工影響平面度，特別是薄板類零件會引起工件變形。 第二：3D 打印多個圓柱零件的高度不一致。 第三：抓取芯片等會出現擠壓芯片過度造成損壞。

為達到設備整體精度要求， 承載部件設計制造也要從材料、加工方法等方面考慮。 首先，承載部件盡量采用與設備整體框架相同的材料保證熱穩定性一致；其次，要通過加工裝配保證承載部件端面精度一致性。

4 設備精度檢驗過程中需要注意的問題

關于檢測前的預熱設備幾何精度檢測時， 應按國家標準規定，即機械設備接通電源后，在預熱狀態下，設備各坐標軸往復運動幾次后進行。

關于負荷運轉試驗對于大型設備還應進行負荷試驗。 通過負荷試驗可以檢驗設備是否達到設計規定的承載能力，及其在負荷狀態下各機構工作是否正常，其工作的平穩性、準確性、可靠性是否達到規定要求。 根據標準規定，負荷試驗前后均應檢驗設備的幾何精度。工作精度試驗應放在負荷試驗后進行， 目的均是對設備的進一步檢驗。

5 結束語

綜上所述， 為了能夠保證數控機床的精度， 需從設計、制造、使用三方面著手，通過結構的優化設計、先進的制造技術， 才能保證機床幾何精度的穩定性與機床使用過程中的可靠性。