五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差辨識與優(yōu)化改善

陳遠(yuǎn)芳

摘 要：五軸數(shù)控機(jī)床在我國機(jī)械制造業(yè)迅速發(fā)展的過程中，應(yīng)用范圍越來越廣。但由于箱體結(jié)構(gòu)件加工誤差和裝配累計誤差的影響，使得在機(jī)床加工過程中產(chǎn)生偏差，造成加工誤差。深入分析機(jī)床運(yùn)動的傳遞規(guī)律，判斷機(jī)床運(yùn)動副和旋轉(zhuǎn)負(fù)誤差傳遞矩陣，建立了機(jī)床移動軸和旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動模型，實現(xiàn)了誤差檢測。針對目前旋轉(zhuǎn)軸誤差判別法提出了改進(jìn)方案，增加了球桿儀測量次數(shù)，有效地迭代了激光干涉儀的檢測范圍，提高了整個檢定工作的效率，保證了動態(tài)精度誤差補(bǔ)償?shù)目尚行浴?/p>

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床;旋轉(zhuǎn)軸;幾何誤差辨識;優(yōu)化改善

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，不同行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也不盡相同。機(jī)床多軸、高精度發(fā)展的過程中，機(jī)床誤差引起的問題也是十分普遍的，因此在新時期對機(jī)床誤差進(jìn)行有效控制是十分必要的，通過采用誤差預(yù)防方法或采用誤差補(bǔ)償方法，可以加強(qiáng)機(jī)床加工誤差的有效控制與管理，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，為我國工業(yè)加工行業(yè)的發(fā)展提供了重要保障。五軸數(shù)控機(jī)床主要有移動軸、旋轉(zhuǎn)軸、車體等，要建立五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差模型，并對其進(jìn)行檢測，以全面優(yōu)化機(jī)床誤差控制。

1 五軸加工中心回轉(zhuǎn)軸幾何誤差的檢測。

1.1幾何錯誤量

通過對五軸龍門加工中心整體結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸工作時，內(nèi)外因素共同作用，極易偏離理想軸線，引發(fā)誤差。加工機(jī)床運(yùn)動時，需沿所給方向法向行走，而運(yùn)動件的加工誤差及安裝誤差將導(dǎo)致導(dǎo)軌的相對運(yùn)動偏離所要求的軸線而引起角度偏差。

1.2回轉(zhuǎn)軸線和幾何誤差

加工機(jī)械的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動。在機(jī)床上進(jìn)行加工時，由于工件的裝配誤差產(chǎn)生軸向竄動誤差，影響到機(jī)床的受力變形和接觸表面的摩擦力等，使機(jī)床的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動路線偏離理想的軸線，產(chǎn)生多種幾何誤差。

1.3安裝誤差

五軸數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸的安裝受限箱體與中心軸加工精度影響，在裝配時同軸度要求0.02mm，精度要求較高人工裝配難以達(dá)到。且需要通過曲臂原則將同軸的高點(diǎn)調(diào)到同一個方向，以此降低安裝誤差。

2 旋轉(zhuǎn)軸誤差補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床

2.1補(bǔ)償轉(zhuǎn)軸誤差

其中誤差補(bǔ)償主要包括三個環(huán)節(jié)，首先建立誤差補(bǔ)償模型，然后根據(jù)測量儀器測量的誤差值進(jìn)行檢測，最后對誤差結(jié)果進(jìn)行分析，實現(xiàn)誤差補(bǔ)償，通常采用的補(bǔ)償方法有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。在補(bǔ)償過程中，硬件補(bǔ)償主要是通過減小刀具、工件位置誤差或采用機(jī)械方式來實現(xiàn)補(bǔ)償，該補(bǔ)償方法操作復(fù)雜，整體效率低，補(bǔ)償結(jié)果難以保證。通過軟件補(bǔ)償，可直接改變NC程序，快速補(bǔ)償?shù)毒咔邢鼽c(diǎn)和加工中心的位置，操作簡單、效率高，能對誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確處理，達(dá)到精確效果。當(dāng)前在工件及刀具相對位置加工時，各軸的實際數(shù)值和理想值有明顯的偏差，機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)合誤差也屬于靜態(tài)誤差，通過改變NC程序，可使刀具與工件之間的誤差補(bǔ)償有效地消除機(jī)械加工中的誤差。在實驗室中所用機(jī)床建立起轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動關(guān)系，并通過誤差補(bǔ)償對不同的動軸和轉(zhuǎn)軸輸入補(bǔ)償值，快速地調(diào)整刀尖位置和姿態(tài)，方便數(shù)控編程時以工件坐標(biāo)為導(dǎo)向，用轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動表示工件坐標(biāo)變量。而且在刀具處于理想位置時，各種誤差因素都會導(dǎo)致刀尖偏離理想位置，此時刀尖處會產(chǎn)生較大的加工誤差。所以要采用先補(bǔ)償方向矢量，再補(bǔ)償位置矢量的方法來全面更新補(bǔ)償方法。刀具方向矢量需要在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中進(jìn)行調(diào)整，并將方向矢量補(bǔ)償后的刀具向理想狀態(tài)移動。

2.2旋轉(zhuǎn)軸誤差補(bǔ)償

在五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償中，各坐標(biāo)系誤差的補(bǔ)償效果最好，但在實際加工中，各坐標(biāo)系之間仍存在著偏差，因此使得實際的誤差補(bǔ)償十分復(fù)雜。本文提出了一種基于最小誤差假設(shè)的矢量補(bǔ)償方案，該方案將機(jī)床誤差模型引入矢量方向量，得到實際方向矢量。依據(jù)機(jī)床運(yùn)動關(guān)系，求出動軸轉(zhuǎn)動及主軸誤差。利用坐標(biāo)變換對運(yùn)動負(fù)、旋轉(zhuǎn)負(fù)誤差傳遞矩陣進(jìn)行分析，建立了能充分考慮球感長度機(jī)床進(jìn)給速率中心的誤差補(bǔ)償模型。利用機(jī)床檢測系統(tǒng)檢測C軸旋轉(zhuǎn)中心位置，可以顯著提高測量精度，改善安裝的準(zhǔn)確性和通用性。

3 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床優(yōu)化改造策略

3.1改進(jìn)加工設(shè)備

為有效地解決五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差問題，需要對機(jī)電進(jìn)行綜合優(yōu)化，并結(jié)合國際先進(jìn)產(chǎn)品精度允許差差的對比，可以發(fā)現(xiàn)，對于機(jī)床精度檢測的關(guān)鍵項目，還存在著與國際先進(jìn)水平有明顯的偏差，而機(jī)械精度與控制系統(tǒng)沒有直接的關(guān)系，且機(jī)械本身精度不高，任何先進(jìn)的檢測控制系統(tǒng)都不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，因此對五軸數(shù)控機(jī)床連接件的缺陷進(jìn)行全面優(yōu)化，以提高機(jī)床的整體精度，通過對五軸數(shù)控機(jī)床連接件進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)床的整體精度。由于在現(xiàn)有的工裝夾具中還存在著很多問題，所以需要對絲杠、直線導(dǎo)軌、拖板等適配型新型工裝進(jìn)行再制造。

3.2機(jī)械加工裝配工藝優(yōu)化

立式五軸加工中心的兩個旋轉(zhuǎn)都是安裝在工作臺上，一個旋轉(zhuǎn)軸圍繞著X軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，我們定義為A旋轉(zhuǎn)軸，A軸的工作范圍在+30度至-120度。在A旋轉(zhuǎn)軸中間設(shè)置了一個回轉(zhuǎn)臺，從圖上可以看出這個回轉(zhuǎn)臺是圍繞著Z軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，我們定義為C旋轉(zhuǎn)軸，C旋轉(zhuǎn)軸的工作范圍在360度回轉(zhuǎn)。A軸和C軸組合的立式五軸加工中心一次對工件夾裝可完成除了安裝面以外的其它面加工，A旋轉(zhuǎn)軸和C旋轉(zhuǎn)軸最小分度值為0.001度，這樣可以加工任意一個角，簡單說加工面沒有一個死角，主軸可以加工到每一個角度，安裝面除外，加工出斜面、斜孔完全沒有問題。立式五軸加工中心兩個旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在工作臺上的優(yōu)缺點(diǎn)此類立式五軸加工中心的優(yōu)點(diǎn)就是A旋轉(zhuǎn)軸和C旋轉(zhuǎn)軸與三個直線軸可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，可以加工復(fù)雜空間曲面，當(dāng)然這還要數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和軟件的支持。這種兩個旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置方式還有一個優(yōu)點(diǎn)是主軸結(jié)構(gòu)簡單，主軸剛性好、制造成本比較低。而缺點(diǎn)是工作臺不能設(shè)計太大、工作臺承重能力小，特別是當(dāng)A旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)的度數(shù)大于或等于90度是時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

3.3性能更高的轉(zhuǎn)臺應(yīng)用和優(yōu)化

五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的精度優(yōu)化控制，由于其剛性控制精度和穩(wěn)定性都較差，且控制回轉(zhuǎn)臺的PLC邏輯控制不合理，極易導(dǎo)致通信故障引起機(jī)床的過載報警等問題，因此應(yīng)選擇高性能回轉(zhuǎn)臺，既能滿足剛性要求，又能對PLC控制邏輯進(jìn)行綜合優(yōu)化。另外要針對電器柜的設(shè)計進(jìn)行全面的優(yōu)化，盡量把強(qiáng)、弱電分開，減少電磁干擾等問題，還需要對電器柜的圖紙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，方便機(jī)床符合國際標(biāo)準(zhǔn)。電氣柜體結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，需將星轉(zhuǎn)角接觸器由三個減為兩個，節(jié)省了電器元件及生產(chǎn)成本，簡化了電路結(jié)構(gòu)，并將繼電器改為繼電器模塊，減少了占用空間，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

結(jié)語

在我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展背景下，有許多領(lǐng)域都需要通過模具進(jìn)行生產(chǎn)制造，因為不同的生產(chǎn)產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)。要想實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，就必須利用模具進(jìn)行快速制造，對于模具的質(zhì)量要求也在不斷增加。五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床在加工過程中，旋轉(zhuǎn)軸的配合誤差是十分普遍的，用球桿代替激光干涉儀來測量中心轉(zhuǎn)軸的誤差，可以迅速消除。為了構(gòu)建機(jī)床幾何誤差模型，提高測量精度，加強(qiáng)誤差補(bǔ)償?shù)恼w效果，通過誤差補(bǔ)償可以提高機(jī)床的加工精度，改善前期設(shè)計和制造安裝的整體效果，從源頭上加強(qiáng)我國數(shù)控設(shè)備性能與國際接軌。

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（上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201108）