五軸數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)中心的幾何誤差檢測(cè)與補(bǔ)償

1 引言

五軸數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)最重要的一種加工設(shè)備，可用于加工各種復(fù)雜曲面，隨著對(duì)工件加工質(zhì)量要求的不斷提高，如何提高五軸數(shù)控機(jī)床加工精度問題成為熱點(diǎn)。

機(jī)床自身的制造和裝配誤差，影響著機(jī)床的幾何精度，同時(shí)，對(duì)于五軸數(shù)控機(jī)床而言，誤差造成回轉(zhuǎn)軸心不重合，降低了五軸聯(lián)動(dòng)精度，不能夠得到理想的零件加工精度。幾何誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃诓桓淖償?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的機(jī)床上，通過對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差源分析、建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，將機(jī)床的空間定位誤差實(shí)時(shí)地反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)誤差的修正，從而提高五軸數(shù)控機(jī)床的加工精度。

轉(zhuǎn)擺臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床，直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心與兩旋轉(zhuǎn)軸軸心位置的不重合幾何誤差，制約著五軸數(shù)控機(jī)床加工精度。為解決此問題，本文提出以下方案：圍繞回轉(zhuǎn)中心，建立五軸數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)軌跡模型，設(shè)計(jì)幾何誤差檢測(cè)方案；分析列表實(shí)際檢測(cè)誤差數(shù)據(jù)；通過對(duì)機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差的計(jì)算，將空間定位誤差實(shí)時(shí)地反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)誤差修正。通過對(duì)沈陽機(jī)床某轉(zhuǎn)擺臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)例研究，驗(yàn)證此方法有效。

2  轉(zhuǎn)擺臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)建模

如圖1 所示為轉(zhuǎn)擺臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖。直線軸X、Y、Z 聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心矢量位置由加工中心數(shù)控系統(tǒng)按照加工中心結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算得到。當(dāng)A 軸回轉(zhuǎn)中心、C 軸回轉(zhuǎn)中心、直線軸X、Y、Z 聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心不重合幾何誤差偏大時(shí)，五軸數(shù)控機(jī)床加工精度就會(huì)降低。因此，做到三中心重合或偏差最小，成為了提高五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)精度的必要手段。

3 幾何誤差檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

（1）檢測(cè)球頭檢棒長度補(bǔ)償值，半徑補(bǔ)償值；

（2）測(cè)量A 軸回轉(zhuǎn)中心與C 軸回轉(zhuǎn)中心在Y 方向上的誤差；

（3）測(cè)量工作臺(tái)臺(tái)面與A 軸回轉(zhuǎn)中心在Z 方向上誤差；

（4）確定將要檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸（A 軸或C 軸），將千分表擺放在插補(bǔ)圓內(nèi)，并將表針壓在球頭檢棒高點(diǎn)位置；

（5）X、Y、C 軸做大圓聯(lián)動(dòng)，觀測(cè)并記錄X、Y 兩個(gè)方向隨著C 軸角度變化時(shí)，千分表讀數(shù)變化；

（6）計(jì)算出直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心與C 軸軸心在X/Y平面上的誤差；

（7）Y、Z、A 軸做大圓聯(lián)動(dòng)，觀測(cè)并記錄Y、Z 兩個(gè)方向隨著A 軸角度變化時(shí)，千分表讀數(shù)變化；

（8）計(jì)算出直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心與A 軸軸心在Y/Z平面上的誤差。

4 測(cè)量原理

以只考慮直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心與C 軸回轉(zhuǎn)中心在X、Y 方向上誤差為例。如圖2 所示，數(shù)控機(jī)床X、Y、C 軸在X/Y 平面內(nèi)，做大圓聯(lián)動(dòng)，通過千分表的變化來進(jìn)行誤差分析。如圖3 所示，X、Y 插補(bǔ)軌跡與理想軌跡之間的誤差是由于直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心O2 與C 軸回轉(zhuǎn)中心O 在X/Y 方向上誤差a/b造成。因此通過對(duì)千分表變化值的分析，計(jì)算出a/b 值，進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以減小X、Y插補(bǔ)軌跡與理想軌跡之間的誤差。

5 誤差補(bǔ)償參數(shù)算法描述

以只考慮直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心O2 與C軸回轉(zhuǎn)中心O 在X、Y方向上誤差為例。設(shè)C 軸回轉(zhuǎn)軸軸心O 在X/Y 平面內(nèi)坐標(biāo)為（0，0），直線軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心O2 坐標(biāo)為（b，a），千分表讀數(shù)變化值為k。數(shù)控機(jī)床X、Y、C 軸在X/Y 平面內(nèi)，做大圓聯(lián)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度為θ。
b=k·sinθ                                              （1）
a=k·cosθ                                              （2）

經(jīng)過誤差檢測(cè)與計(jì)算，得出修正參數(shù)a、b、c、d，補(bǔ)償?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中。

7 實(shí)例應(yīng)用

基于以上分析，將該方法應(yīng)用于沈陽機(jī)床某轉(zhuǎn)擺臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，該機(jī)床加工精度得到了大幅度提高。

8 結(jié)語

轉(zhuǎn)擺臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床中心不重合幾何誤差，需要建立誤差綜合模型，進(jìn)行多次檢測(cè)與補(bǔ)償，才可達(dá)到理想的幾何精度，以提高機(jī)床加工精度。