A/C軸雙擺頭幾何精度誤差的預防與補償方案*

郭宏偉 張 亮 李洪濤

(沈陽機床(集團)有限責任公司，遼寧沈陽 110142)

隨著對加工質量要求越來越高，五軸數控機床加工精度問題已經成為一個研究熱點。而提高加工精度的方法主要有兩種:一種是誤差預防，另一種是誤差補償。誤差預防主要是從提高機床自身的制造和裝配精度的角度來提升加工精度;誤差補償的方法是在不改變數控機床結構和控制系統的基礎上，通過對機床運動誤差源分析、建立數學模型和計算，將機床的空間定位誤差實時地反饋到控制系統，實現誤差修正，從而提高機床精度。

A/C軸雙擺頭，由于其結構復雜性，達到產品幾何精度要求比較困難，且其涉及動態聯動幾何精度要求，并且制造、調試難度較大。因此，需通過誤差預防、誤差補償兩種途徑，提高產品精度。通過對產品結構進行幾何精度制造工藝性分析，突出重點項，設計合理的裝配工藝方案，實現誤差預防;通過設計雙擺頭回轉中心幾何誤差檢測與補償方案，實現誤差補償目的，進而提高五軸數控機床加工精度。

1 A/C軸雙擺頭裝配工藝方案設計

1.1 裝配工藝方案

A/C軸雙擺頭，工藝基準均為直線軸(見圖1)，不利于工藝裝配數據檢測分析，裝配過程中裝配數據很難采集或所采集數據不真實，這樣就會導致產品幾何精度不符合要求，且生產效率低。因此，提出以軸檢測轉化為面檢測的方法為指導思想，建立三維幾何模型，分析相關零部件、相關面的結構特性，構建數據檢測工藝面，用于裝配數據檢測的裝配工藝方案。裝配工藝方案基本內容包括:

(1)對結構進行分析，找出重點幾何精度項;

(2)建立三維幾何模型，分析相關零部件、相關面的結構特性;

(3)利用面檢測方法設計工藝檢測方案;

(4)根據工藝檢測數據結果對相關零件進行修配調整，提高裝配幾何精度。

1.2 裝配工藝方案設計

A/C軸雙擺頭結構復雜，通過工藝分析，分為主軸部、C軸部、A軸部3大部分。各部分裝配工藝方案基本指導思想類似，但技術關鍵點有所區別，因此，通過描述主軸部裝配工藝方案主要內容，闡述工藝方案設計思想。

通過直驅式A/C軸雙擺頭主軸部結構分析，共有二項重要幾何精度需要通過裝配工序保證(見表1)。

表1 主軸部幾何精度分析表

第1項幾何精度要求主軸軸線與A軸軸線夾角θ=90°。通過建立三維幾何模型，分析相關零部件、相關面的結構特性，得出與此項精度相關基準面為軸承定位面、主軸孔以及主軸箱端面(見圖2)。利用面檢測方法，設計工藝檢測方案:

(1)設計專用工裝，建立主軸軸線檢測面;

(2)將軸承定位面作為A軸軸線檢測面，用于裝配數據檢測分析(見圖3);

(3)根據工藝檢測數據對相關零件進行修配調整，提高裝配幾何精度，達到產品設計要求。

同樣，按照第1項幾何精度裝配工藝方案基本指導思想，完成第2項幾何精度裝配工藝方案設計。

2 回轉中心幾何誤差檢測與補償方案設計

2.1 回轉中心誤差補償方案

采用A/C軸雙擺頭為主軸頭的加工中心，以X、Y、Z、A、C這5個軸為運動軸，其回轉中心誤差補償的方法是在不改變數控機床結構和控制系統的基礎上，通過對五軸數控機床運動誤差源的分析、設計聯動軸的定位精度數據檢測方案，并分析檢測數據，將機床的空間運動誤差實時地反饋給控制系統，實現誤差補償，從而提高五軸聯動精度。此方案技術難點在于結合控制系統，分析誤差源以及聯動數據檢測方案設計。五軸回轉中心的幾何誤差檢測與補償方案基本內容包括:

(1)結合控制系統，分析誤差源;

(2)設計五軸回轉中心空間向量的誤差檢測方案;

(3)根據檢測數據結果，進行五軸回轉中心誤差補償。

2.2 回轉中心誤差補償方案設計

HEIDENHAINITNC530數控系統中，其回轉中心誤差補償是通過補償5個空間結構參數的誤差，以達到控制五軸回轉中心幾何誤差的目的(見表2)。

表2 HEIDENHAIN ITNC530數控系統結構參數表

根據控制系統回轉中心誤差補償方案，對雙擺頭五軸回轉中心誤差源進行分析。在雙擺頭結構中存在5個空間向量誤差(見圖4、圖5)，與數控系統5個結構參數相對應。因此，檢測出5個空間向量誤差，即可實現五軸回轉中心幾何誤差補償。

分析直驅式A/C軸雙擺頭結構特性，設計5個向量單獨存在的聯動檢測方案，對檢測數據進行數值分析后得到目標數據，針對系統中相關參數，寫入目標數據，實現五軸回轉中心誤差補償。

2.3 實例應用

針對主軸回轉軸線與A軸回轉軸線的交點在Y方向上的誤差，設計其誤差檢測方法，即利用球頭檢棒代替回轉中心，千分表沿Z軸方向壓在球頭表面，A軸、Y軸與Z軸在Y/Z平面上做動態聯動，進行誤差檢測，分析千分表的讀數變化，計算目標數據a值，并寫入控制系統中的對應相關結構參數U2進行誤差補償(見圖6、圖7)。

基于以上分析，將該方法應用于沈陽機床某擺頭主軸回轉軸線與A軸回轉軸線的交點在Y方向上的誤差補償調試中，該項動態聯動精度得到了大幅度提高(見表3)。

表3 誤差補償前后檢測數據對比表 mm

3 結語

在A/C軸雙擺頭幾何精度工藝性研究中，通過誤差預防、誤差補償兩種途徑全面提高了五軸數控機床加工精度，產品制造精度以及生產效率得到了顯著提高。

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