木工雙擺角銑頭C 軸回轉精度測試與分析*

王雙永 張 偉② 張鵬飛

(①國家林業局北京林業機械研究所，北京 100029;②中國林科院林業新技術研究所，北京 100091)

在木材加工中，加工中心一般采用三坐標數控機床配備雙擺角銑頭實現五軸聯動，可對工件定位面以外的其他五個面進行連續無死角加工，可加工出各式各樣的曲面造型［1］。常用的木工雙擺角銑頭包括A軸和C 軸兩個回轉軸，具有輕載、高速、體積較小、動作敏捷等特點，其擺角范圍相對較大。而木工雙擺角銑頭的回轉精度是影響加工精度的關鍵因素，因此，對木工雙擺角銑頭回轉精度進行測試，分析誤差規律，進而對其進行有效補償，對提高雙擺角銑頭的加工精度具有重要意義。

回轉精度主要包括定位精度和重復定位精度，定位精度指實際位置與理想位置的一致程度，對應的不一致量稱為定位誤差;重復定位精度是指在保持相同條件和操作方法的情況下，進行規定次數的操作所得到的連續結果的一致程度［2］。本文以木工雙擺角銑頭C 軸回轉精度為研究對象，通過測試C 軸回轉定位誤差和重復定位誤差，分析誤差規律，提供誤差補償方案，為提高C 軸回轉精度提供依據。

1 木工雙擺角銑頭結構和原理

木工雙擺角銑頭主要由C 軸傳動鏈、A 軸傳動鏈、殼體支撐和主軸四大部分構成，如圖1 所示。C 軸傳動鏈主要包括C 軸驅動電動機、主動帶輪、同步齒形帶、從動帶輪、減速器和C 軸旋轉臂等，還包括位置編碼器和行程限位開關。C 軸回轉以自身固定法蘭為基準，輸出帶動殼體支撐、A 軸傳動鏈和主軸一起繞Z 軸轉動。具體傳動過程為:C 軸驅動電動機輸出轉速和扭矩，通過同步帶傳動輸送給減速器，降低轉速增大扭矩，通過C 軸旋轉臂傳遞給殼體支撐及主軸，并通過位置編碼器進行位置反饋，行程限位開關對雙擺角銑頭機械結構提供安全保障。A 軸傳動鏈主要包括A 軸驅動電動機、主動帶輪、同步齒形帶、從動帶輪、減速器和主軸連接板，也包括位置編碼器和行程限位開關。由于A 軸傳動鏈全部安裝在殼體支撐內，所以A 軸回轉以殼體支撐為基準，帶動主軸繞X 軸擺動。具體傳動過程與C 軸類似，最終將轉速和扭矩傳遞給固定在連接板上的主軸，主軸通過刀柄連接刀具高速轉動實現切削加工。因此，C 軸回轉精度直接影響木工雙擺角銑頭整體的加工精度。

2 實驗方法與步驟

2.1 實驗工具

傳統的測量方法多數采用多面體和自準直儀，通過測量直線度和垂直度等間接得出回轉精度，測量精度不高。本實驗采用具有專門回轉測量功能的Renishaw 激光干涉儀，主要包括ML10 激光頭、角度干涉鏡、激光準直輔助鏡、角度反射鏡、RX10 回轉基準分度器、RX10 控制器、EC10 環境補償單元、計算機等［3］。實驗中，將角度反射鏡固定在RX10 回轉基準分度器上，通過過渡法蘭與木工雙擺角銑頭主軸錐孔連接，保證RX10 與主軸軸線同軸度不超過0.5 mm，安裝方式如圖2 所示。RX10 回轉基準分度器是激光干涉儀中用來直接測量旋轉機構回轉精度的專用關鍵組件，具有自準直和自動定位功能，測量精度高，操作簡單。RX10 最小分度值為5°，即可以旋轉并鎖定到0°～360°范圍內的72 個位置中的任意一個，包括一個可自動控制的高精密齒盤，向下鎖定時能夠實現±1"的角度定位精度。實驗中，設定木工雙擺角銑頭C 軸回轉驅動主軸繞Z 軸轉動一定角度，RX10 高精密齒盤向上抬起2.5mm，沿C 軸轉動方向的反向，以每5°為一節回轉到C 軸所轉動的基準位置上，使角度反射鏡回到初始位置，通過測量兩次反射光束的偏差計算C 軸回轉誤差。由于環境溫濕度對回轉精度測量影響很小，而且EC10 環境補償單元可以對溫濕度變化進行補償，所以該實驗對環境溫濕度要求不高，實驗室環境可滿足實驗條件。

激光干涉儀基本測量原理如圖3 所示，ML10 激光頭發出的激光束通過角度干涉鏡分成兩束平行光束(參考光束和測量光束)進入角度反射鏡，再通過干涉鏡合并成一束光束返回激光頭，回轉軸轉動一定角度產生的偏差引起角度反射鏡微小轉動，使返回光束形成干涉條紋，激光干涉儀檢測干涉條紋的變化并通過軟件計算出回轉軸的定位誤差，多次重復測量可得回轉軸的重復定位誤差。

2.2 實驗步驟

校準:將木工雙擺角銑頭移到起始位置(原點)，保證C 軸軸線與主軸軸線重合，A 軸軸線與主軸軸線垂直并相交。在回轉軸上準直RX10(確保偏心E ＜0.5mm)，在鎖定和解鎖RX10 時檢查激光光束準直，校準光學鏡設定，保證激光強度基本滿格。調試校準過程:調整ML10 激光頭與角度反射鏡，保證反射光束處于光靶中心;角度折射鏡靠近角度反射鏡調整，將測量光束與參考光束盡量重合并處于光靶中心;微調激光準直輔助鏡，將光斑朝著RX10 上升的反向偏移，使激光強度處于1/2 偏上兩格并保持相對穩定;分度器順時針或逆時針定位，開始校準循環(共8 次)，如圖4所示，最后得出合理的角度偏差和角度因子。

測試過程:參考國家標準［4-7］，測試目標點取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°共7 個位置，選擇自動采集數據。通過木工雙擺角銑頭控制系統設定，保持A 軸固定，即A 軸傳動鏈、主殼體支撐和主軸保持相對固定，整體作為C 軸回轉輸出端。控制C 軸從原點開始正向轉動，每轉動30°停頓10 s，以便測試軟件采集數據，0°和180°回程測量時采取C 軸連續換向轉動，即C 軸從180°位置正向轉到190°繼續反向轉到180°停頓。相同條件下再重復以上過程4 次，由測試軟件記錄目標位置的偏差值，根據標準計算公式算出每一目標位置對應的均位偏差、重復精度、反向差值等結果，如表1 所示。測試軟件具備數據分析功能，分析依據選擇國家標準GB/T 17421.2 -2000，即可獲得木工雙擺角銑頭C 軸回轉精度測試結果的分析曲線，并且可直接計算出C 軸回轉軸線雙向定位精度、單向重復定位精度、反向差值、平均雙向位置偏差范圍和雙向定位系統偏差，分析曲線及計算結果如圖5 所示。

3 分析與結論

依據國家標準GB/T 28388.1—2012 給出的參考公差，木工雙擺角銑頭C 軸回轉雙向定位精度A=24.86" ＞24"，單向重復定位精度R↑和R↓分別為6.79"和7.13"，均小于8"，反向差值B=14.66" ＞12"，平均雙向位置偏差范圍M=6.62" ＜12"，說明該木工雙擺角銑頭C 軸回轉精度還有待進一步提高。

表1 C 軸回轉精度測試結果

由圖5 分析曲線可知，銑頭從0°到180°正向轉動的過程中，定位誤差基本均為負值，反向回程的定位誤差大部分為正值，可能是因為C 軸傳動鏈零部件制造與安裝精度不高產生的反向間隙，或者同步齒形帶安裝松弛造成微量打滑。單向定位誤差的絕對值呈現逐漸增大的趨勢，可能是由誤差累積引起的結果。目標位置為150°時的定位誤差及反向差值最大，需要重點采取有效措施提高該位置的回轉精度。此外，控制系統也可能是影響木工雙擺角銑頭回轉精度的主要因素。

綜上所述，該實驗方法簡單易行，同樣適用于雙擺角銑頭A 軸回轉精度測試。根據測試結果，設定控制系統的誤差有效補償，可進一步提高木工雙擺角銑頭C 軸回轉精度，對提高加工產品的表面質量具有重要意義。

［1］Wang S Y，Zhang W，Zhang Q W，et al.Reliability analysis about A/C-axis of woodworking five-axis milling head［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，635 -637:407 -410.

［2］蔡春剛，任志輝，李東旭，等.擺角銑頭的動態誤差及補償技術［J］.制造技術與機床，2011(11):105 -106.

［3］高秀峰，劉春時，李焱，等.基于激光干涉儀的A/C 軸雙擺角銑頭定位誤差檢測與辨識［J］.機械設計與制造，2011(12):212 -214.

［4］GB/T 17421.2—2000.機床檢驗通則 第2 部分:數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定［S］.北京:中國標準出版社，2000.

［5］GB/T 28388.1—2012.擺動式AC 軸聯動銑頭 第1 部分:精度檢驗［S］.北京:中國標準出版社，2012.

［6］GB/T16462.4—2007.數控車床和車削中心檢驗條件 第4 部分:線性和回轉軸線的定位精度及重復定位精度檢驗［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［7］楊斌，昝林，穆英娟.關于數控機床定位精度檢驗標準的比較分析［J］.制造技術與機床，2014(7):167 -169.