臥式加工中心轉臺回轉夾具定位銷連線的數學建模及實例應用研究分析

李生斌 陳 帥 宋 偉 王 鵬 劉潤杰 許小明

（①通用技術集團大連機床有限責任公司，遼寧 大連 116000；②通用技術集團機床工程研究院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116000；③華中科技大學，湖北 武漢 430000）

臥式加工中心配轉臺回轉夾具，形成專機的方案是企業針對加工產品相對穩定、批量較大零件的常用解決方法。臥式加工中心配轉臺回轉夾具既可以充分發揮加工中心設備的高精度、高效率及高可靠性的特點，又可完成復雜、困難零件的加工工序。這類專用夾具可以避免工人在進行工件定位時產生的誤差而影響被加工工件的精度，同時縮短了機械加工的時間，提高了機床的生產效率，進而提高了市場的競爭力。

臥式加工中心轉臺回轉夾具是保證被加工零件加工精度（尺寸精度、幾何精度和位置精度等）的關鍵部件，與加工中心部件有著極其密切的聯系（如定位銷、支撐面、轉臺回轉軸線與機床坐標系的關系等），其設計、制造和調整都必須有嚴格的要求，才能使其持久地保持精度。正確地解決它們之間的關系，是保證臥式加工中心的工作可靠性和使用性能良好的重要條件。

1 搖籃式轉臺回轉夾具構成

臥式加工中心轉臺回轉夾具是由夾具體、轉臺、尾座等裝置組成的一種復雜的夾緊定位結構，如圖1 所示。夾具體，一般采用一個平面和兩個定位銷子的定位方法，消除被加工零件在空間位置的六個自由度，實現被加工零件在夾具體中的準確定位。定位銷子一般采用固定式定位銷的定位方法。當采用固定式定位銷的結構時，一般采用圓柱銷和菱形銷相結合的定位方法以補償孔距間距離的誤差，這種結構既提高了定位精度，又有利于保證加工質量[1]。轉臺作為加工中心的重要的功能部件之一，為數控機床提供了回轉坐標，提升了機床復雜加工能力，擴大了機床的使用范圍。為提升數控轉臺的性能，國內科研工作者和設計人員做了大量的研究工作[2-8]。臥式加工中心轉臺回轉夾具常見的結構形式是搖籃式轉臺。搖籃式轉臺，通常是在臥式加工中心的回轉工作臺上放置夾具底座，在夾具底座上放置轉臺和尾座，如圖2 所示。

圖1 臥式加工中心轉臺回轉夾具簡圖

圖2 夾具底座、轉臺和尾座關系示意圖

在實際的工作中，為了便于找出問題、解決問題，通常在裝配過程中，采用“層層檢測”的方法，避免誤差累積，影響判斷。只有這樣，才能保證裝配質量。

首先應將夾具底座擺正，為此需要在夾具底座上增加裝配工藝基面，如圖2 所示，裝配夾具底座時，要保證裝配工藝基面和機床坐標系X向的平行度。

為保證轉臺和尾座的精度，一般用檢查棒檢測精度，具體檢測步驟如下。

步驟1：分別檢測轉臺端檢查棒和尾座端檢查棒各自對機床坐標系（如X向）的平行度（即檢查棒的上母線對X向的平行度）。

步驟2：同軸度檢測。為了保證同軸度，通常在尾座處增加調整墊。以轉臺端檢查棒為基準，確定轉臺端檢查棒和尾座端檢查棒的同軸度（即兩端檢查棒的上母線和側母線的同軸度），上母線精度不對時，修磨尾座端的調整墊；側母線精度不對時，以轉臺端檢查棒為基準，調整尾座端的檢查棒位置，保證同軸度。以此擺正轉臺和尾座。

1.1 搖籃式轉臺回轉夾具型式Ⅰ

如圖3 所示，在轉臺和尾座間增加個一體式搖籃作為夾具體。一體式搖籃對加工精度要求較高，如圖4 所示。

圖3 搖籃式轉臺回轉夾具型式Ⅰ

圖4 一體式搖籃回轉夾具精度要求簡圖

兩端基準孔EF連線對定位安裝基面A面的平行度；B、C面對兩端基準孔EF連線的垂直；兩定位銷孔連線D對兩端基準孔EF連線的平行；只有保證一體式搖籃的加工精度，才能進行后續的裝配。

1.2 搖籃式轉臺回轉夾具型式Ⅱ

如圖5 所示，分別用左L 板和右L 板連接尾座和轉臺，其上放置夾具底板。針對這種型式的搖籃式轉臺，在確定了夾具底座、轉臺和尾座的位置精度后，依據“層層檢測”法，接下來就應該確定左右L 板的精度，夾具底板的精度及定位塊、定位銷的精度。

圖5 搖籃式轉臺回轉夾具型式Ⅱ

1.2.1 確定左右L 板精度

在左右L 板回轉中心孔位置處穿入裝配用檢查棒，檢測并保證如下精度：

（1）左右L 板兩端檢查棒的同軸度。

（2）左右L 板兩端檢查棒側母線連線對夾具底座裝配工藝基面的平行度（即與X軸的平行度）。

（3）左右L 板安裝基面的共面度以及對夾具底座底面的平行度。

1.2.2 確定夾具底板精度

保證夾具底板的上平面對夾具底座底面的平行度。

1.2.3 確定定位塊和定位銷精度

在夾具底板上安裝定位塊和定位銷，檢測并保證如下精度：

（1）定位塊組成的定位面A面共面度及對夾具底座底面的平行度。

（2）兩定位銷連線B對夾具底座裝配工藝基面的平行度（即與X軸的平行度）。

搖籃式轉臺也可借助樣件進行相關精度檢測。樣件是無導向的專用機床總裝和調試過程中確定主軸與夾具相對位置精度的一種輔具。樣件的定位部分和被加工工件的定位型式一樣，而精度有所提高。通常樣件精度一般高于機床精度2～3 倍[9]，這需要根據機床和被加工工件的具體情況來確定。樣件中增加的檢測基準面是為了保證夾具和機床坐標系的位置精度。為此，搖籃式轉臺設計的樣件一般型式如圖6 所示。

圖6 搖籃式轉臺樣件示意圖

樣件上的0 孔是工件的圓形定位銷孔；1 孔是工件的菱形定位銷孔；2 孔和3 孔是確定夾具的回轉中心用孔。樣件的A面為定位面，B面、C面、D面用于機床找精度時使用，其中B面用于檢測樣件與機床坐標系X軸的平行度；C面用于檢測樣件與機床坐標系Z軸的平行度；D面用于檢測樣件與夾具體定位面的平行度。

2 分析定位銷可能出現的幾種情況

在實際檢測精度時，兩定位銷連線不僅影響夾具體的精度，也涉及工件編程時基準的設定，因此比較重要。下面針對定位銷連線出現的幾種情況分別進行詳細說明，并給出解決的辦法。

2.1 兩定位銷連線可能出現的3 種情況

臥式加工中心轉臺回轉夾具定位銷連線在檢測過程中可能會出現如下3 種情況，如圖7 所示。

圖7 定位銷連線與轉臺回轉軸線、機床坐標系示意圖

（1）轉臺回轉軸線與機床坐標系平行，但定位銷連線與轉臺回轉軸線不平行。

（2）轉臺回轉軸線與機床坐標系不平行，但定位銷連線與轉臺回轉軸線平行。

（3）轉臺回轉軸線與機床坐標系不平行，且定位銷連線與轉臺回轉軸線不平行。

出現上述幾種情況，不但影響機床的幾何精度，同時影響機床的加工精度，因此必須仔細分析，采取相應措施。在精度檢測過程中，針對出現以上的這3 種情況，建立數學模型，歸納出了一套公式。

2.2 建立數學模型

2.2.1 建立數學公式

定位銷連線對轉臺回轉軸線平行誤差：

即：（定位銷2 在0o位時測表讀數-180o位時測表讀數）÷2。

轉臺回轉軸線對機床坐標系平行誤差：

即：（定位銷2 在0o位時測表讀數+180o位時測表讀數）÷2。

其中，?0?為轉臺在0o位時定位銷1 讀數為0，定位銷2 的測表讀數；?180?為轉臺在180o位時定位銷1 讀數為0，定位銷2 的測表讀數。

2.2.2 公式推導過程

（1）建立坐標系：用三坐標單元（加工中心）X、Y軸建立坐標系[6]。

（2）用剖面線表示夾具體定位銷檢測面，如圖8 所示。其中定位銷1 在0o位時讀數為A1，在180o位時讀數為；定位銷2 在0o位時讀數為A2，在180o位時讀數為。

（3）推導：確定各點Y向坐標值。

定位銷1：在0o位時讀數為A1，在180o位讀數為。

定位銷2：在0o位時讀數為A2，在180o位時為，所以A2=A1-? 0o（?0o為轉臺在0o位時定位銷1讀數為0，定位銷2 的測表讀數）。

推導式（1）：

即：（定位銷2 在0o位時測表讀數-180o位時測表讀數）÷2，表示定位銷連線對轉臺回轉軸線平行誤差。

推導式（2）：

定位銷2 的讀數差減去定位銷1 的讀數差取其平均值。

即：（定位銷2 在0?位時測表讀數+180?位時測表讀數）÷2，表示轉臺回轉軸線對機床坐標系平行誤差。

2.3 具體實例分析

在實際精度檢驗中，會出現很多不同的檢測結果，為了把錯綜復雜的情況分析清晰，先歸納一些簡單的實例由淺入深進行剖析（其中：↓表示表頭朝下，↑表示表頭朝上）[10]。

2.3.1 實例1

轉臺回轉軸線與機床坐標系平行，但定位銷連線與轉臺回轉軸線不平行。

（1）檢測：轉臺在0o位時，移動坐標系，檢測兩定位銷1、2 兩點，測表在1 點時的讀數為0，測表在2 點時的讀數為-0.03 mm；將轉臺轉到180o位時，移動X坐標軸，檢測1、2 兩點，測表在1點時的讀數為0，測表在2 點時的讀數為+0.03 mm。

（2）計算與判斷：將實測值代入式（2），計算得[-0.03 +（+0.03）]÷2=0，表示轉臺回轉軸線與機床坐標系X軸移動平行誤差為0；將實測值代入式（1），計算得[-0.03-（+0.03）]÷2=-0.03 mm，表示定位銷連線與轉臺回轉軸線平行誤差為0.03 mm。誤差簡圖如圖9 所示。

圖9 轉臺回轉軸線與機床坐標系平行，定位銷連線與轉臺回轉軸線不平行

（3）對策：將誤差計算值與出廠合格證比較，如果誤差計算值超差，可將定位銷1、2 上的定位孔按實測值修正后放孔鑲襯套，重新加工定位銷1、2 孔解決。

2.3.2 實例2

轉臺回轉軸線與機床坐標系不平行，但定位銷連線與轉臺回轉軸線平行。

（1）檢測：轉臺在0o位時，移動X軸檢測定位銷1、2 兩點，測表在1 點時的讀數為0，測表在2 點時的讀數為-0.03 mm；將轉臺轉到180o位時，移動X軸，檢測1、2 兩點，測表在1 點時讀數為0，測表在2 點時的讀數為-0.03 mm。

（2）計算與判斷：將實測值代入式（2），計算得[-0.03 +（-0.03）]÷2=-0.03 mm，表示轉臺回轉軸線與機床坐標系X軸移動平行誤差為0.03 mm；將實測值代入式（1），計算得[-0.03-（-0.03）]÷2=0，表示兩定位銷連線對轉臺回轉軸線平行誤差為0。誤差簡圖如圖10 所示。

圖10 轉臺回轉軸線與機床坐標系不平行，定位銷連線與轉臺回轉軸線平行

（3）對策：重新調整夾具底座，按實測值整體轉動，使轉臺回轉軸線與機床坐標系X移動平行。

2.3.3 實例3

轉臺回轉軸線與機床坐標系不平行，且定位銷連線與轉臺回轉軸線不平行。

（1）檢測：轉臺在0o位時，移動X軸，檢測兩定位銷1、2 兩點，測表在1 點時的讀數為0，測表在2 點時的讀數為0；將轉臺在180o位時，移動X軸，檢測1、2 兩點，測表在1 點時的讀數0，測表在2 點時的讀數為-0.06 mm。

（2）計算與判斷：將實測值代入式（2），計算得[0 +（-0.06）]÷2=-0.03 mm，表示轉臺回轉軸線與機床坐標系X軸移動平行誤差為0.03 mm；將實測值代入式（1），計算得[0-（-0.06）]÷2=+0.03 mm，表示兩定位銷連線與轉臺回轉軸線平行誤差為0.03 mm。誤差簡圖如圖11 所示。

圖11 回轉軸線與機床坐標系不平行，定位銷連線與回轉軸線不平行

（3）對策：從本示例可以清楚判斷出兩種不同的誤差交錯在一起，一種是轉臺回轉軸線與機床坐標系X軸移動間的平行誤差，可采取實例2 的對策，即重新調整夾具底座，按實測值整體轉動，使轉臺回轉軸線與機床坐標系X軸移動平行；另一種是兩定位銷連線與轉臺回轉軸線平行誤差，可采取實例1 的對策，即將誤差計算值與出廠合格證進行比較，如果誤差計算值超差，可將定位銷1、2 上的定位孔按實測值修正后放孔鑲襯套，重新加工定位銷1、2 孔。

2.3.4 實例4

定位銷連線呈一定角度（即定位銷連線與裝配工藝基準面有一定角度），如圖12 所示。

圖12 定位銷連線與裝配工藝基面有一定角度示意圖

在銷孔2 與Z軸方向平行處，增加一個工藝銷孔3，通過銷孔1、工藝銷孔3 的連線檢測定位銷孔連線與夾具回轉中心連線及與機床坐標系X軸移動之間的平行關系，判定夾具是否滿足合格證要求，如果精度不對時，應采用上述的方法進行返修。

3 結語

本文主要講述了兩個方面的問題，有利于提高裝配制造技術，使產品質量上升到一個新的臺階。

（1）介紹了臥式加工中心配置搖籃式轉臺回轉夾具的兩種型式，并闡述了針對這兩種型式的回轉夾具在裝配中采取檢測的方法，以保證裝配精度。

（2）分析了轉臺回轉夾具兩定位銷連線與轉臺回轉軸線、機床坐標系三者之間的關系，推導、歸納了公式，并以實例解釋了公式的應用。在實際應用這些公式時，應注意檢測方法是否一致。