一、任务布置
完成数控铣床（加工中心）机床水平调整、工作台的平面度、主轴锥孔的径向圆跳动、主轴轴线对工作台面的垂直度、工作台进给轴方向移动对工作台面的平行度、工作台X轴方向对Y轴方向移动的工作垂直度等基本几何精度的检验。
【知识目标】
（1）熟悉公差的基本概念。
（2）掌握形位公差的基本知识。
【技能目标】
（1）会使用各种基本检验工具。
（2）会利用各种检验工具对数控铣床（加工中心）的几何精度进行测量。
二、知识链接
（一）公差基本概念
公差是限制尺寸、形状、位置和位移所不能超过的变动量，包括尺寸公差、形状公差、位置公差等。对于机械制造来说，制定公差的目的就是为了确定产品的几何参数，使其变动量在一定的范围之内，以便达到互换或配合的要求。
1.尺寸公差
允许尺寸的变动量，等于最大极限尺寸与最小极限尺寸代数差的绝对值。
2.位置公差
关联实际要素的位置对基准所允许的变动全量，它限制零件的两个或两个以上的点、线、面之间的相互位置关系，包括平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动和全跳动8个项目。公差表示了零件的制造精度要求，反映了其加工难易程度。
3.形状公差
单一实际要素的形状所允许的变动全量，包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度6个项目。
（1）直线度
限制实际直线对理想直线变动量的一种形状公差。由形状（理想包容形状）、大小（公差值）、方向、位置四个要素组成。用于限制一个平面内的直线形状偏差，限制空间直线在某一方向上的形状偏差，如图5-1所示；限制空间直线在任一方向上的形状偏差，如图5-2所示。
图5-1 平面内直线度
图5-2 空间内直线度
（2）平面度
平面度测量的是被测实际表面对其理想平面的变动量。平面度误差是将被测实际表面与理想平面进行比较，两者之间的线值距离即为平面度误差值；或通过测量实际表面上若干点的相对高度差，再换算以线值表示的平面度误差值。
在规定的测量范围内，当所有点被包含在与该平面的总方向平行并相距给定值的两个平面内时，则认为该平面是平的。确定平面或代表的面的总方向，是为获得平面度的最小偏差。
（3）平行度
平行度指两平面或者两直线平行的程度，指一平面（边）相对于另一平面（边）平行的误差最大允许值。
平行度评价直线之间、平面之间或直线与平面之间的平行状态。其中一条直线或一个平面是评价基准，而直线可以是被测样品的直线部分或直线运动轨迹，平面可以是被测样品的平面部分或运动轨迹形成的平面。
（4）垂直度
垂直度用符号⊥表示。垂直度评价直线之间、平面之间或直线与平面之间的垂直状态。其中一条直线或一个平面是评价基准，而直线可以是被测样品的直线部分或直线运动轨迹，平面可以是被测样品的平面部分或运动轨迹形成的平面。
垂直度公差：当以平面为基准时，若被测要素为平面，则其垂直度公差带的宽度为垂直度的公差值。当被测要素为直线轴时，垂直度的公差值表示轴与平面所成角度与90度做差，产生的公差百分比。垂直度量测用量角器或垂直度量测仪。
（二）检测工具
1.条式水平仪
条式水平仪如图5-3所示。主要用于检验各种机床及其他设备的平直度。条式水平仪由作为工作平面的V形底平面和与工作平面平行的水准器组成。当水平仪的底平面放在准确的水平位置时，水准器内的气泡正好在中间位置（即水平位置）。在水准器玻璃管内气泡两端刻线为零线的两边，刻有不少于8格的刻度，刻线间距为2 mm，当水平仪的底面与水平位置有微小的差别时，也就是水平仪底平面的两端有高低时，水准器内气泡由于地心引力的作用总是往水准器的最高一侧移动，这就是水平仪的使用原理。两端高低相差不多时，气泡移动也不多；两端高低相差较大时，气泡移动也较大，在水准器的刻度上就可读出两端高低的差值。
图5-3 条式水平仪
图5-4 平尺
2.平尺
平尺如图5-4所示。它是具有精确平面的尺形量规，用于以着色法、指示表法检修平板、长导轨等的平面度，也常用于以光隙法检修工件棱边的直线度。平尺一般用优质铸铁制造，矩形平尺也有用轴承钢或花岗石制造的。花岗大理石平尺主要用于机床检验中检验工件的不平度和不直度。
3.量块
量块如图5-5所示。它是由两个相互平行的测量面之间的距离来确定其工作长度的高精度量具，其长度为计量器具的长度标准，通过对计量仪器、量具和量规等示值误差的检定等方式，使机械加工中各种制成品的尺寸能够溯源到长度基准。
图5-5 量块
图5-6 机床检验棒
4.机床检验棒
机床检验棒如图5-6所示。它是机床制造及修理工作中的常备工具，主要用来检查主轴套筒类零部件的径向圆跳动、轴向窜动、同轴度、平行度及其与导轨的平行度等精度项目，常用的有带标准锥柄检验棒、圆柱机床检验棒、专用检验棒三种。机床检验棒用工具钢制造，经过热处理及精密加工，结构上有足够的刚性。
5.角尺
角尺如图5-7所示。它用于检测工件的垂直度及工件相对位置的垂直度，有时也用于画线。适用于机床、机械设备及零部件的垂直度检验、安装加工定位、画线等，是机械行业中的重要测量工具。
图5-7 角尺
图5-8 方尺
6.方尺
方尺如图5-8所示。它具有垂直平行的框式组合，适用于高精度机械和仪器检验及机床之间不垂直度的检查，是用来检查各种机床内部件之间不垂直度的重要工具。
7.杠杆千分表
图5-9 杠杆千分表
杠杆千分表如图5-9所示。它适用于测量工件几何形状和相互位置正确性，并可用于对小尺寸工件用绝对法进行测量和对大尺寸工件用相对法进行测量。由于杠杆千分表体积小，测量头可回转180度，因此适宜于测量一般测微仪表难于达到的工件，如内孔径向跳动、端面跳动，键槽、导轨的相互位置误差等。
三、技能实训
在对数控机床进行调试、几何精度检验时，应注意以下几点：
（1）检测时，机床的基座应已完全固化。
（2）检测时要尽量减小检测工具与检测方法的误差。
（3）应按照相关的国家标准，先接通机床电源对机床进行预热，并让机床沿各坐标轴往复运动数次，使主轴以中速运行数分钟后再进行。
（4）数控机床几何精度一般比普通机床高。普通机床用的检具、量具，往往因自身精度低，满足不了检测要求。而检测工具的精度等级要求比被测对象的几何精度高一级。
（5）几何精度必须在机床精调试后一次完成，不得调一项测一项，因为有些几何精度是相互联系与影响的。
（6）对大型数控机床还应实施负荷试验，以检验机床是否达到设计承载能力；在负荷状态下各机构是否正常工作；机床的工作平稳性、准确性、可靠性是否达标。
1.机床水平检验
（1）检验工具
机床水平检验工具如表5-1所列。
表5-1 机床水平检验工具
（2）检验方法
机床调平如图5-10所示，具体步骤如下：
1）将工作台置于导轨行程的中间。
2）用软布擦拭工作台，将两个水平仪分别沿X和Y坐标轴置于工作台中央。
3）用扳手调整机床垫铁高度，使水平仪水泡处于读数中间位置。
4）分别沿X和Y坐标轴全行程移动工作台，观察水平仪读数的变化，调整机床垫铁的高度，使工作台沿X和Y坐标轴全行程移动时水平仪读数的变化范围小于两格，且读数处于中间位置即可。
图5-10 机床调平示意图
2.工作台面的平面度检验
（1）检验工具
工作台面的平面度检验工具如表5-2所列。
表5-2 工作台面的平面度检验工具
（2）检验方法
平尺测量平面度检验如图5-11所示，具体步骤如下：
1）工作台置于其纵向和横向行程的中间位置。
2）用软布擦拭工作台，按规定在工作台面的A、B、C等高量块上放一平尺，在E点上放一可调量块，使其与平尺下表面接触。
3）用同样方法分别确定H、G点可调量块高度。
4）按规定方向放置平尺，用指示器测量平尺检验面与工作台面间的距离。
5）误差以杠杆千分表度数的最大差值计。
图5-11 平尺测量平面度检验示意图
3.主轴锥孔轴线的径向圆跳动检验
（1）检验工具
主轴锥孔轴线的径向圆跳动检验工具如表5-3所列。
表5-3 主轴锥孔轴线的径向圆跳动检验工具
（2）检验方法
主轴锥孔轴线径向圆跳动检验如图5-12所示，具体步骤如下：
图5-12 主轴锥孔轴线径向圆跳动检验示意图
1）先用软布擦拭主轴锥孔和检验棒。
2）再将检验棒插在主轴锥孔内。
3）杠杆千分表安装在机床固定部件上，杠杆千分表测头垂直触及被测表面。
4）旋转主轴，记录杠杆千分表的最大读数差值，在A、B处分别测量。
5）标记检验棒与主轴的圆周方向的相对位置，取下检验棒，同向分别旋转90°、180°、270。后重新插入主轴锥孔，在每个位置上分别检测。
6）取3次检测的平均值作为主轴锥孔轴线的径向圆跳动误差。
4.主轴轴线对工作台面的垂直度检验
（1）检验工具
主轴轴线对工作台面的垂直度检验工具如表5-4所列。
表5-4 主轴轴线对工作台面的垂直度检验工具
（2）检验方法
主轴轴线对工作台面的垂直度检验如图5-13所示，具体步骤如下：
1）将主轴箱、工作台置于行程的中间位置并锁紧。
2）用软布擦拭工作台表面，在工作台面上放两等高量块，量块上放一平尺。
3）将带有杠杆千分表的表架装在主轴上，并将杠杆千分表的测头调至平行于主轴轴线，被测平面与基准面之间的平行度偏差可以通过杠杆千分表测头在被测面上摆动的检查方法测得。
4）主轴旋转一周，杠杆千分表读数的最大差值即为垂直度偏差。
5）分别在横向平面和纵向平面内记录杠杆千分表在相隔180。的两个位置上的最大读数差值。
图5-13 主轴轴线对工作台面的垂直度检验示意图
5.主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度检验
（1）检验工具
主轴箱垂直移动对工作台的垂直度检验工具如表5-5所列。
表5-5 主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度检验工具
（2）检验方法
主轴箱垂直移动对工作台的垂直度检验如图5-14所示，具体步骤如下：
1）先用软布擦拭工作台表面，然后将等高量块沿Y轴方向放在工作台上，平尺置于等高量块上，将角尺置于平尺上（在Y-Z平面内）。
2）杠杆千分表固定在主轴箱上，杠杆千分表测头垂直触及角尺，移动主轴箱，记录杠杆千分表读数及方向，其读数最大差值即为在纵向平面内主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度误差。
3）同理，将等高量块、平尺、角尺置于X-Z平面内重新测量一次，杠杆千分表读数最大差值即为在横向平面内主轴箱垂直移动对工作台面的垂直度误差。
图5-14 主轴箱垂直移动对工作台的垂直度检验示意图
6.工作台X轴方向或Y轴方向移动对工作台面的平行度检验
（1）检验工具
工作台X轴方向或Y轴方向移动对工作台面的平行度检验工具如表5-6所列。
表5-6 工作台X轴、Y轴进给轴方向移动对工作台面的平行度检验工具
（2）检验方法
工作台X轴方向或Y轴方向移动对工作台面的平行度检验如图5-15所示，具体步骤如下：
1）先用软布擦拭工作台表面，然后将等高量块沿Y轴方向放在工作台上，平尺置于等高量块上。
2）使杠杆千分表测头垂直触及平尺，沿Y轴方向移动工作台，记录杠杆千分表，其读数最大差值即为工作台Y轴方向移动对工作台面的平行度误差。
3）将等高量块沿X轴方向放在工作台上，沿X轴方向移动工作台，重复测量一次，其读数最大差值即为工作台X轴方向移动对工作台面的平行度误差。
图5-15 工作台X轴、Y轴方向移动对工作台面平行度检验示意图
7.工作台X轴方向移动对工作台基准（T形槽）的平行度检验
（1）检验工具
工作台X轴方向移动对工作台基准（T形槽）的平行度检验工具如表5-7所列。
表5-7 工作台X轴方向移动对工作台基准（T形槽）的平行度检验工具表
（2）检验方法
工作台X轴方向移动对工作台面基准（T形槽）的平行度检验如图5-16所示，具体步骤如下：
1）先用软布擦拭工作台T形槽，把杠杆千分表固定在主轴箱上。
2）使杠杆千分表测头垂直触及基准（T形槽）。
3）X轴方向移动工作台，记录杠杆千分表读数，其读数最大差值即为工作台沿X轴方向移动对工作台面基准（T形槽）的平行度误差。
图5-16 工作台X轴方向移动对工作台面基准（T形槽）的平行度检验示意图
8.工作台X轴方向移动对Y轴方向移动的工作垂直度检验
（1）检验工具
工作台X轴方向移动对Y轴方向移动的工作垂直度检验工具如表5-8所列。
表5-8 工作台X轴方向移动对Y轴方向移动的工作垂直度检验工具
（2）检验方法
工作台X轴方向移动对Y轴方向移动的工作垂直度检验如图5-17所示，具体步骤如下：
（1）工作台处于行程的中间位置。
（2）用软布擦拭工作台，将方尺置于工作台上。
（3）把杠杆千分表固定在主轴箱上。
（4）使杠杆千分表测头垂直触及角尺（X轴方向），Y轴方向移动工作台，调整角尺位置，使角尺的一个边与X轴轴线平行。
（5）将杠杆千分表测头垂直触及角尺另一边（Y轴方向），Y轴方向移动工作台，记录杠杆千分表读数，其读数的最大差值即为工作台Y轴方向移动对X轴方向移动的工作垂直度误差。
图5-17 工作台X轴方向移动对Y轴方向移动的工作垂直度检验示意图
思考与练习
1.公差的基本概念是什么？
2.形位公差包括哪些？
3.完成下列各项检测项目的测量，结果记入数控铣床（加工中心）精度检测数据记录表，如表5-9所示。
表5-9 数控铣床精度检测数据记录表
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