五軸數控機床旋轉軸幾何誤差辨識與優化改善

陳遠芳

摘 要：五軸數控機床在我國機械制造業迅速發展的過程中，應用范圍越來越廣。但由于箱體結構件加工誤差和裝配累計誤差的影響，使得在機床加工過程中產生偏差，造成加工誤差。深入分析機床運動的傳遞規律，判斷機床運動副和旋轉負誤差傳遞矩陣，建立了機床移動軸和旋轉軸運動模型，實現了誤差檢測。針對目前旋轉軸誤差判別法提出了改進方案，增加了球桿儀測量次數，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，保證了動態精度誤差補償的可行性。

關鍵詞：五軸數控機床;旋轉軸;幾何誤差辨識;優化改善

引言

隨著現代工業的不斷發展，數控機床已廣泛應用于工業生產，不同行業對產品質量的要求也不盡相同。機床多軸、高精度發展的過程中，機床誤差引起的問題也是十分普遍的，因此在新時期對機床誤差進行有效控制是十分必要的，通過采用誤差預防方法或采用誤差補償方法，可以加強機床加工誤差的有效控制與管理，取得良好的經濟效益，為我國工業加工行業的發展提供了重要保障。五軸數控機床主要有移動軸、旋轉軸、車體等，要建立五軸數控機床的幾何誤差模型，并對其進行檢測，以全面優化機床誤差控制。

1 五軸加工中心回轉軸幾何誤差的檢測。

1.1幾何錯誤量

通過對五軸龍門加工中心整體結構的分析，發現機床旋轉軸工作時，內外因素共同作用，極易偏離理想軸線，引發誤差。加工機床運動時，需沿所給方向法向行走，而運動件的加工誤差及安裝誤差將導致導軌的相對運動偏離所要求的軸線而引起角度偏差。

1.2回轉軸線和幾何誤差

加工機械的轉軸運動。在機床上進行加工時，由于工件的裝配誤差產生軸向竄動誤差，影響到機床的受力變形和接觸表面的摩擦力等，使機床的轉軸運動路線偏離理想的軸線，產生多種幾何誤差。

1.3安裝誤差

五軸數控機床的旋轉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到。且需要通過曲臂原則將同軸的高點調到同一個方向，以此降低安裝誤差。

2 旋轉軸誤差補償數控機床

2.1補償轉軸誤差

其中誤差補償主要包括三個環節，首先建立誤差補償模型，然后根據測量儀器測量的誤差值進行檢測，最后對誤差結果進行分析，實現誤差補償，通常采用的補償方法有硬件補償和軟件補償。在補償過程中，硬件補償主要是通過減小刀具、工件位置誤差或采用機械方式來實現補償，該補償方法操作復雜，整體效率低，補償結果難以保證。通過軟件補償，可直接改變NC程序，快速補償刀具切削點和加工中心的位置，操作簡單、效率高，能對誤差數據進行準確處理，達到精確效果。當前在工件及刀具相對位置加工時，各軸的實際數值和理想值有明顯的偏差，機床旋轉軸的結合誤差也屬于靜態誤差，通過改變NC程序，可使刀具與工件之間的誤差補償有效地消除機械加工中的誤差。在實驗室中所用機床建立起轉軸的運動關系，并通過誤差補償對不同的動軸和轉軸輸入補償值，快速地調整刀尖位置和姿態，方便數控編程時以工件坐標為導向，用轉軸的運動表示工件坐標變量。而且在刀具處于理想位置時，各種誤差因素都會導致刀尖偏離理想位置，此時刀尖處會產生較大的加工誤差。所以要采用先補償方向矢量，再補償位置矢量的方法來全面更新補償方法。刀具方向矢量需要在旋轉運動中進行調整，并將方向矢量補償后的刀具向理想狀態移動。

2.2旋轉軸誤差補償

在五軸聯動數控機床的補償中，各坐標系誤差的補償效果最好，但在實際加工中，各坐標系之間仍存在著偏差，因此使得實際的誤差補償十分復雜。本文提出了一種基于最小誤差假設的矢量補償方案，該方案將機床誤差模型引入矢量方向量，得到實際方向矢量。依據機床運動關系，求出動軸轉動及主軸誤差。利用坐標變換對運動負、旋轉負誤差傳遞矩陣進行分析，建立了能充分考慮球感長度機床進給速率中心的誤差補償模型。利用機床檢測系統檢測C軸旋轉中心位置，可以顯著提高測量精度，改善安裝的準確性和通用性。

3 五軸聯動數控機床優化改造策略

3.1改進加工設備

為有效地解決五軸數控機床旋轉軸幾何誤差問題，需要對機電進行綜合優化，并結合國際先進產品精度允許差差的對比，可以發現，對于機床精度檢測的關鍵項目，還存在著與國際先進水平有明顯的偏差，而機械精度與控制系統沒有直接的關系，且機械本身精度不高，任何先進的檢測控制系統都不能發揮其應有的作用，因此對五軸數控機床連接件的缺陷進行全面優化，以提高機床的整體精度，通過對五軸數控機床連接件進行優化，提高機床的整體精度。由于在現有的工裝夾具中還存在著很多問題，所以需要對絲杠、直線導軌、拖板等適配型新型工裝進行再制造。

3.2機械加工裝配工藝優化

立式五軸加工中心的兩個旋轉都是安裝在工作臺上，一個旋轉軸圍繞著X軸做旋轉運動，我們定義為A旋轉軸，A軸的工作范圍在+30度至-120度。在A旋轉軸中間設置了一個回轉臺，從圖上可以看出這個回轉臺是圍繞著Z軸做回轉運動，我們定義為C旋轉軸，C旋轉軸的工作范圍在360度回轉。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旋轉軸和C旋轉軸最小分度值為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軸設置在工作臺上的優缺點此類立式五軸加工中心的優點就是A旋轉軸和C旋轉軸與三個直線軸可實現五軸聯動，可以加工復雜空間曲面，當然這還要數控系統、伺服系統和軟件的支持。這種兩個旋轉軸設置方式還有一個優點是主軸結構簡單，主軸剛性好、制造成本比較低。而缺點是工作臺不能設計太大、工作臺承重能力小，特別是當A旋轉軸回轉的度數大于或等于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性能更高的轉臺應用和優化

五軸數控機床旋轉軸的精度優化控制，由于其剛性控制精度和穩定性都較差，且控制回轉臺的PLC邏輯控制不合理，極易導致通信故障引起機床的過載報警等問題，因此應選擇高性能回轉臺，既能滿足剛性要求，又能對PLC控制邏輯進行綜合優化。另外要針對電器柜的設計進行全面的優化，盡量把強、弱電分開，減少電磁干擾等問題，還需要對電器柜的圖紙進行標準化處理，方便機床符合國際標準。電氣柜體結構優化時，需將星轉角接觸器由三個減為兩個，節省了電器元件及生產成本，簡化了電路結構，并將繼電器改為繼電器模塊，減少了占用空間，節省了生產成本。

結語

在我國工業產業高速發展背景下，有許多領域都需要通過模具進行生產制造，因為不同的生產產品具有多樣化的特點。要想實現批量化生產，就必須利用模具進行快速制造，對于模具的質量要求也在不斷增加。五軸聯動數控機床在加工過程中，旋轉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軸的誤差，可以迅速消除。為了構建機床幾何誤差模型，提高測量精度，加強誤差補償的整體效果，通過誤差補償可以提高機床的加工精度，改善前期設計和制造安裝的整體效果，從源頭上加強我國數控設備性能與國際接軌。

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（上海拓璞數控科技股份有限公司，上海 201108）