应用H 型驱动结构设备精度检验项目分析与研究

马 蔷， 李嵩松， 庞瑞峰， 刘晓亮， 张希文

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

0 引言

精度是各类机械设备的基础， 是设备完成生产任务的保障，保持设备的几何精度至关重要。设备精度是指设备主要部件的形状、 相互位置及相对运动的精确程度，包括几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和精度保持性能等五个方面。 其中最重要的是机械设备相关部件的静态几何精度。

1 H 型驱动结构设备

H 型驱动结构是结构稳定且具有高刚度、高效率、高精度、高性能、高可靠性的框架式结构，广泛应用于铸造砂型3D 打印机、H-Bot 型3D 打印机、激光晶圆切割机、芯片抓取机械手等设备。 应用H 型驱动结构的设备基本组成结构如图1 所示，虽然各类设备的应用领域不同，但对于设备工作精度的要求都很高， 要达到设备最终工作精度要求，就要在设备的设计、零件加工制造、产品装配、检验等生产全过程中遵循精度检验要求。 特别是设备出厂精度检验环节是一项非常复杂的工作， 它直接关系到设备的功能、可靠性、工作精度。 检验工作包括对设备的机、电、液和整机综合性能及单项性能的检测，另外还需对设备进行刚度和热变形等一系列试验， 检测手段和技术要求高，需使用各种高精度仪器设备。

图1 应用H 型驱动结构设备示意图

2 H 型驱动设备的精度

应用H 型驱动设备的精度主要包括静态几何精度、定位精度、实际运行精度三方面。

静态几何精度反映设备的关键机械零部件 （如基础框架、横梁、执行部件驱动导轨等）的几何形状误差及其组装后的位置误差，包括各直线运动轴自身的直线度、各直线运动轴之间的平行度和垂直度、 执行部件装配所需的平面度、直线度、平行度和垂直度等。

定位精度是指所测量的电控设备运动部件在控制系统控制下要到达某个坐标值和实际到达的位置之间的差距大小， 它与设备的几何精度共同对设备实际工作精度产生重要的影响， 尤其在设备位移动作中的位移距离误差具有决定性的影响。

实际工作精度是指设备在实际运行过程中所表现出的实际值与理想值之间的符合程度。 如：3D 打印成形零件加工后的几何参数（尺寸、几何形状和相互位置），芯片抓取机械手的准确抓取率等。

3 H 型驱动结构几何精度检验项目分析

H 型驱动结构设备的几何精度检验项目总体分为五大类，分别是设备的框架基础精度，框架导轨精度、横梁基础精度、横梁导轨精度、相关配套部件精度。 应用至具体产品时需要进行必要的选择。

3.1 基础框架精度

设备基础框架是整台设备的安装基础， 它是横梁移动或工作部件移动过程及实际工作过程中使整台具有足够的刚度和精度的重要保障。

对于应用H 型驱动的设备基础框架主要分为三类：第一类为焊接结构件，第二类为铸铁件，第三类为大理石结构件。焊接结构件和铸铁件应用于常规机械设备，数控机床、搬运机械手、3D 打印机等。 大理石结构件主要应用于精度较高的激光晶圆切割机，光刻机，三坐标测量机等。

基础框架精度是整台设备装配调整的精度基础，主要为导轨安装水平安装面和竖直侧基准面精度以及调整检测基准面精度。设备基础框架精度主要包括：框架导轨安装面在X/Z 平面内的直线度， 相邻框架导轨在X/Z 平面内的平行度，竖直侧基准面在X/Y 平面内的直线度，相邻导轨竖直侧基准面在X/Y 平面内的平行度。 如果框架单侧为双导轨结构还需要增加单侧双导轨安装面的直线度、平行度。 如图2 所示。 根据H 型驱动设备的行程不同导轨精度要求也不尽相同。 大型设备（3D 打印机、抓取机械手等）导轨行程较长，导轨安装精度既要求每米精度又要求全长精度。 同时还要根据框架所承受的载荷要求导轨安装面的误差方向。 对于小型设备 （激光晶圆切割机等）行程短，直接要求导轨安装面全长范围内的精度值。

图2 H 型驱动设备框架精度检验

为达到设备整体精度，基础框架设计要从材料，导轨安装形式，装配调整方式等方面考虑。 材料方面：基础框架优先选用型材焊接结构件， 焊接完成后需要对焊接件进行去应力退火，满足精度稳定性要求。也可选用灰铸铁HT250，此类铸铁具有高的抗压强度、优良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性，适用于承受压力及振动。 导轨安装形式方面： 根据结构需要尽可能选择导轨和驱动执行件（丝杠、齿条等）分开的结构，便于装配调整和检验。 装配调整方面： 在基础框架底面应设计有专用的双方向调整垫铁用于调整导轨安装底面与侧基准面的直线度与平行度。

3.2 框架导轨精度

框架导轨在主流H 型驱动设备中一般选用精度较高的直线导轨或气体静压导轨， 这两类导轨的特点是摩擦系数低， 运动部件所受摩擦力小， 对安装面精度要求较高。装配需要在框架导轨安装面合格的基础上进行，对装配工艺要求较高，首先要保证安装基准面清洁，安装导轨前对安装基面进行去毛刺处理， 其次要将导轨与安装面贴合并按规定顺序紧固螺栓， 紧固完成后使用塞尺进行检验，最后进行导轨直线度和平行度的复验。

如果基础框架导轨精度检验项目超差， 在设备工作过程中就会产生以下问题： ①运动部件定位精度和重复定位精度无法达到使用要求；②驱动电机电流突变；③加工类设备加工出的零件直线度是导轨直线度的复映；④插补进行圆周运动时会影响圆度和圆柱度。

3.3 横梁精度

在应用H 型驱动的设备中横梁主要是连接执行部件与框架的连接部件。 执行部件在横梁的安装位置随设备不同而不同， 随执行部件安装位置的变化横梁部件的加工要求和精度都有变化。 例如：桁架式机械手，高架式龙门镗铣床等执行部件需要进行上下往复运动， 执行部件在横梁的安装面应与框架导轨垂直， 保证横梁能够承受颠覆力矩，如图3 所示。 如执行部件产生较大的颠覆力矩，横梁可以采用阶梯式导轨结构。 3D 打印机或晶圆切割机工作台等执行部件为单一箱体类部件，无需进行上下往复运动， 执行部件在横梁的安装面可与框架导轨平行，如图1所示。

图3 执行部件安装示意图

在应用H 型驱动的设备中横梁精度是重点保证的精度，主要包括：横梁部件自身的直线度和导轨间的平行度； 横梁移动时横梁导轨对框架导轨的垂直度；执行部件横向移动在Y/Z平面内的直线度； 执行部件横向移动在X/Y 平面内的直线度。

如果横梁精度检验项目超差， 实际运行过程中会产生以下问题：①执行部件机械定位精度超差；②执行部件垂直运动时直线度超差； ③执行部件垂直运动轨迹与水平面的垂直度超差。

此类精度为H 型驱动的设备的关键精度， 达到精度要求同样需要从设计、加工、装配三方面考虑。 横梁基础件设计时根据执行部件的重量，安装面位置，横梁跨度，执行部件颠覆力矩等因素采用预变形工艺思路进行结构设计。 横梁加工过程中要严格控制各条导轨安装面的精度， 横梁加工要保证导轨安装面和框架导轨结合面的平行度、垂直度。装配时要保证横梁结合面与框架导轨滑块安装面的接触精度， 此处结合面为重要结合面通过刮研保证精度。

3.4 相关配套部件精度

在应用H 型驱动的设备中相关配套部件主要为执行部件和承载部件。 其中执行部件主要包含：抓取机械手、3D 打印机打印头、数控机床的镗铣头、车削头等部件。 承载部件主要为生产线运送被抓取零件的托盘、3D 打印机的可升降工作台等承载部件。

对于执行部件的装配精度主要为：第一、执行部件运动对横梁导轨的垂直度，第二、有承载部件的设备执行部件运动对承载部件的平行度和垂直度。

如果执行部件精度检验项目超差， 实际工作中会产生以下问题：第一：工作中执行部件重复定位精度低；第二：加工垂直面垂直度超差；第三：在平面工作过程中精度保持性较低。

对于承载部件的精度主要为：承载部件上端面的平面度；有升降运动的承载部件，承载面的运动的角度偏差。

如果承载部件精度检验项目超差， 实际运行中会产生以下问题。第一：平面加工影响平面度，特别是薄板类零件会引起工件变形。 第二：3D 打印多个圆柱零件的高度不一致。 第三：抓取芯片等会出现挤压芯片过度造成损坏。

为达到设备整体精度要求， 承载部件设计制造也要从材料、加工方法等方面考虑。 首先，承载部件尽量采用与设备整体框架相同的材料保证热稳定性一致；其次，要通过加工装配保证承载部件端面精度一致性。

4 设备精度检验过程中需要注意的问题

关于检测前的预热设备几何精度检测时， 应按国家标准规定，即机械设备接通电源后，在预热状态下，设备各坐标轴往复运动几次后进行。

关于负荷运转试验对于大型设备还应进行负荷试验。 通过负荷试验可以检验设备是否达到设计规定的承载能力，及其在负荷状态下各机构工作是否正常，其工作的平稳性、准确性、可靠性是否达到规定要求。 根据标准规定，负荷试验前后均应检验设备的几何精度。工作精度试验应放在负荷试验后进行， 目的均是对设备的进一步检验。

5 结束语

综上所述， 为了能够保证数控机床的精度， 需从设计、制造、使用三方面着手，通过结构的优化设计、先进的制造技术， 才能保证机床几何精度的稳定性与机床使用过程中的可靠性。