DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》中關于直線軸最小設定單位的研究*

林 敏，鄭澤培

（廣東省機械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

當今產品的零部件日趨多樣，用于批量加工產品的模具結構越來越復雜，且其傾斜面和曲面越來越多，模具加工精度及配合面要求也越來越高。為了提高模具生產效率，使其迅速地均勻冷卻、達到最佳冷卻效果，設計的模具水冷系統運水孔隨著產品結構要求的不同會有不同的角度要求。對于這一類模具，需要有能夠實現空間任意角度銑削和深孔加工的精密五軸鉆銑復合機床對其進行加工。模具加工過程中使用五軸鉆銑復合機床可以進行細小孔的深孔加工及多角度加工，有效減少零部件在各工序間的裝夾次數，大大提高生產效率。

五軸鉆銑復合機床在國內屬于創新型產品，此前該類機床在國內還沒有產品的技術標準。為了規范廣東省內五軸鉆銑復合機床的研發設計和生產過程，為設備檢驗和質量保證提供依據，筆者單位聯合環球工業機械（東莞）有限公司研制了廣東省地方標準DB44/T 2103—2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》。該標準已于2018年1月2日發布，將于2018年4月2日實施。

該標準在研制過程中，對于數控機床通用的技術指標，參考了已有的數控機床標準；而對于已有標準沒有的或不適用的技術指標，則通過分析機床的實際功能和使用情況進行研究確定。其中，對機床直線軸最小設定單位這一關鍵技術指標，現階段很多國產精密數控機床最小設定單位已提高到0.001 mm，需要對其最小設定單位指標及相應的試驗方法進行研究確定。

1 最小設定單位

最小設定單位是數控機床一項重要的技術指標。數控系統所規定的最小設定單位為脈沖當量，是指數控裝置每輸出一個脈沖，相應機床移動部件所能達到的位移量。脈沖當量影響數控機床的加工精度，它的值越小，數控系統的控制精度越高。

最小設定單位主要由絲桿螺距、編碼器和驅動器細分數等設計參數確定。而實際上，滾珠絲杠的傳動誤差、傳動部件的機械間隙、導軌的幾何精度、摩擦阻力和溫度等都會影響機床的運動精度，導致機床在最小設定單位指令下的位移存在誤差。因此，大多數數控機床標準如GB/T 21012-2007《精密加工中心技術條件》、JB/T 8357.2-2008《數控立式鉆床第2部分：技術條件》、JB/T 8648.2—2008《鉆削加工中心第2部分：技術條件》等均對機床直線軸的最小設定單位誤差提出要求，并規定了試驗方法，以衡量機床在小位移移動指令下（在若干個最小設定單位指令下）的響應到位情況[1-5]。部分已有數控機床標準中直線軸最小設定單位指標的要求和試驗方法如表1所示。

2 直線軸最小設定單位指標的研究

2.1 按照已有標準的試驗方法進行試驗

DB44/T 2103—2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》在研制過程中，首先按照表1已有標準的試驗方法，對最小設定單位指標進行試驗。

試驗在環球工業機械（東莞）有限公司內進行，該企業所研發的五軸鉆銑復合機床擁有多件發明專利，在國內處于領先地位。選擇在該企業生產的機床進行試驗，使得獲取的數據更有代表設定單位（0.004 mm）。說明在通常國產機床能達到的制造精度條件下，衡量機床移動0.001 mm位移的誤差沒有意義。另一方面，對于機床靜止不動的情況，按已有標準的計算方法，其單次移動的最小設定單位誤差為1個最小設定單位，能符合JB/T 8599.2—1997“推薦Sa不大于五個最小設定單位”的要求，但該情況很明顯不應該屬于標準推薦的情況。因此，已有標準的試驗方法存在局限性。性，標準技術指標的研究結果更可靠。

表1 部分已有機床標準中直線軸最小設定單位指標的要求和試驗方法

該企業生產的機床型號主要有CAM?DER1.6L、CAMDER2.6L 和 CAMDER3.6L。該類型機床共有4個直線軸，分別為X軸、Y軸、Z軸和W軸，其中W軸是實現鉆削功能的軸，各直線軸最小設定單位均為0.001 mm。

按照表1中已有標準的試驗方法對型號為CAMDER3.6L的機床進行試驗，每次給出一個最小設定單位的指令，即每次向機床某個直線軸發出移動0.001mm的指令，共給出20個最小設定單位的指令，向同方向移動，然后反向。測量并記錄各直線軸終端運動部件的實際停止位置。試驗結果以散點圖表示，X軸表示終端運動部件的理論位移（最小設定單位個數），Y軸表示其實際位移，如圖1所示。

從圖1機床各直線軸的位移情況可以看到機床在執行1個最小設定單位為0.001mm的指令時，會出現靜止不動或者一次移動幾個最小設定單位指令的現象。出現這種情況主要是因為機床受到如滾珠絲杠的傳動誤差、傳動部件的機械間隙、導軌的幾何精度、摩擦阻力和溫度等影響機床定位因素的作用。

從上面試驗的結果看，移動1個最小設定單位距離（0.001 mm），其產生的誤差可達4個最小

圖1 直線軸最小設定單位試驗結果（按照已有標準）

2.2 改進的直線軸的最小設定單位試驗方法

現階段國產數控機床最小設定單位一般為0.01 mm，較精密的機床為0.001 mm，已有標準的試驗方法適用于最小設定單位為0.01 mm的數控機床，而最小設定單位為0.001 mm的數控機床在按照該方法進行試驗時就會出現類似上面的試驗結果。因此，考慮到精密數控機床最小設定單位的情況，DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》中規定直線軸最小設定單位試驗方法如下。

先以快速使直線軸上的運動部件向正（或負）向移動一定距離，停止后，向同方向給出若干個最小設定單位的指令，再停止，以此位置作為基準位置。然后同方向移動20次，每次給出n個最小設定單位指令（最小設定單位為0.01 mm時，n=1；最小設定單位為0.001 mm時，n=10），測量各個指令的停止位置，從上述的最終測量位置，再繼續向同方向給出若干個最小設定單位的指令，停止后，向負（或正）向給出若干個最小設定單位的指令，使其約回到上述的最終測量位置，這些若干個最小設定單位指令不作測量。然后從上述的最終測量位置開始，每次給出n個最小設定單位指令，繼續向負（或正）向移動，使其約回到基準位置，測量各指令的停止位置（見圖2）。

圖2 直線軸的最小設定單位試驗

相鄰停止位置間的距離與n個最小設定單位之差的最大值，即為最小設定單位誤差Sa，即：

式（1）中：

Li—n個最小設定單位的實際位移，單位為mm；

m—n個最小設定單位的理論位移，單位為mm。

最小設定單位相對誤差Sb定義為：

式（2）中：

圖3 直線軸最小設定單位試驗結果（改進的試驗方法）

2.3 按照改進后的試驗方法進行試驗

按照DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》規定的試驗方法進行試驗。因CAM?DER3.6L的最小設定單位是0.001 mm，因此每次給出10個最小設定單位指令，即移動0.01 mm的指令，然后同方向移動20次，然后反向移動。CAMDER3.6L各直線軸的試驗結果如圖3所示。

從圖3機床各直線軸的位移情況可以看出，該試驗中機床不會出現靜止不動的現象。

按照DB44/T 2103—2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》規定的試驗方法在各直線軸行程的中間及兩端三個位置分別進行試驗，CAM?DER1.6L、CAMDER2.6L、CAMDER3.6L的試驗結果如表2所示。

2.4 最小設定單位技術指標要求

表2的試驗結果顯示五軸鉆銑復合機床各直線軸的最小設定單位誤差Sa不大于0.004 mm，最小設定單位相對誤差Sb不大于6%。

已有的機床標準對最小設定單位誤差Sa沒有規定具體的數值，實際上很多數控機床制造企業也未在其產品技術文件中規定最小設定單位誤差，造成該指標無法評判。因此有必要確定最小設定單位誤差Sa具體值的大小，用于評判產品的合格與否。另外，由于十多年來，數控機床的精度普遍提高了，有必要將最小設定單位相對誤差（已有標準為25%）提高。

考慮到試驗的五軸鉆銑復合機床在國內處于領先地位，故把標準的最小設定單位誤差Sa和Sb在試驗結果的基礎上適當放大，以使該標準更能體現該行業的實際技術水平，并引導技術水平相對落后的生產企業提高產品質量。因此，DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》要求“五軸鉆銑復合機床直線軸的最小設定單位誤差應不大于0.005 mm，最小設定單位相對誤差不得超過10%。”。

表2 最小設定單位試驗結果

3 結論

DB44/T 2103-2018《五軸鉆銑復合機床技術條件》在研制的過程中力求方法科學，貼合實際，可操作強。標準最小設定單位指標的研究結果如下：

（1）現階段大多國產較精密的數控機床的最小設定單位已提高到0.001 mm，已有標準的試驗方法適用于最小設定單位為0.01 mm的數控機床。因此，考慮到精密數控機床最小設定單位的情況，該標準在參考已有數控機床標準試驗方法的基礎上進行改進，使其適用于較精密的數控機床。

（2）很多數控機床制造企業未在其產品技術文件中規定最小設定單位誤差，根據已有標準該指標無法進行評判。因此該標準中將五軸鉆銑復合機床的最小設定單位誤差Sa的上限值設定為0.005 mm，使產品有了評判依據。

（3）隨著數控機床精度的普遍提高，25%的最小設定單位相對誤差對于五軸鉆銑復合機床來說要求偏低，故將其上限值設定為10%。

參考文獻：

［1］GB/T 21012-2007.精密加工中心技術條件［S］.

［2］JB/T 8357.2-2008.數控立式鉆床第2部分技術條件［S］.

［3］JB/T 8329—2008.數控床身銑床技術條件［S］.

［4］JB/T 8648.2—2008.鉆削加工中心第2部分：技術條件［S］.

［5］JB/T 10792.2—2007.五軸聯動立式加工中心第2部分：技術條件［S］.