五轴数控机床的运动精度检测

五轴数控机床的精度检测方法分析

摘要：本文首先对五轴数控机床的精度检测技术做了一个简要概括，然后介绍数控机床精度检测的必要性,指出数控机床常见的精度要求及传统检测方法,并介绍先进检测方法和检测仪器、工具,以及各个检测方法的特点。

关键词：五轴数控机床；精度检测

Precision analysis of detection method of five axis CNC machine

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工件试切或试加工,然后再对所试切的工件进行精度检测。但这种方法的测量结果中包括了工艺、刀具和材料等因素在内，虽然可以通过试件的加工精度间接反映出机床的精度，但不能精确地用于指导机床的研发和改进。而直接测量法如用微位移传感器测量装夹在主轴上的圆柱形基准棒或基准球，或者对装夹在工件台面上的基准量块或平尺直接进行测量,这种方法可以直接获得某项误差,但该方法测量效率低,测量的范围(如行程)有限。

目前世界各国对数控机床精度检测指标的定义、测量方法及数据处理方法等都有所不同。国际上有五种精度标准体系,分别为:德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB系列、美国机床制造商协会NMTBA。其中NAS979是美国国家航空航天局在二十世纪七十年代提出的通用切削试件,"NAS试件”是通过检测加工好的圆锥台试件的“面粗糖度、圆度、角度、尺寸”等精度指标来反映机床的动态加工精度。NAS试件已在三坐标数控机床

的加工精度检测方面得到了很好的应用,但用NAS试件来检测五轴数控机床的加工精度还存在一些问题。成都飞机工业(集团)有限责任公司于2011年提出了用于检验五轴数控机床的标准试件——“S形试件”,该试件是由一个呈“S”形状的直纹面等厚缘条和一个矩形基座组合而成,通过检测加工试件的“外形轮廓尺寸、厚度、表面粗糙度”等指标,以及试件上的3条线共99个点的坐标位置来检验五轴数控机床的加工精度,“S形试件”是目前五轴数控机床精度检验通用的检测试件,该试件已于2011年申请美国国家专利,“S形试件”模型图及检测点如图1.1所示。

S试件模型图

测量方法需根据具体的测量仪器来制订,机床精度提髙的需求也促进了机床精度检测工具的发展。根据检测轨迹的不同,检测仪器可分为圆轨迹运动检测和直线运动轨迹检测。由于机床的圆轨迹运动包含了较多误差信息,因此开发一种用于检测机床轨迹运动的仪器也是国内

五轴机床的检测重点是两个旋转轴的精度。

旋转轴的精度包括两个方面：一方面是旋转轴运动的精度，主要要检测每个旋转轴的重复定位精度；另一方面是两个旋转轴相互之间的关系，主要检测两个旋转轴轴线和主轴轴线之间空间几何关系是否正确。

4.1 测量旋转轴的重复定位精度

方法和直线轴测量方法类似：对于转台类型的旋转轴，在转台上固定一个方块，用千分表接触方块的表面，旋转转台一定角度，再反向旋转转台同样多角度，回到原位，观察两次表针接触方块表面时的表读数是否一致，误差多少（如图1）；对于摆头类型的旋转轴，在主轴上装上检测用芯棒，用千分表指针接触芯棒来检测（如图2）。

图1 测量转台的重复定位精度图2 测量摆头的重复定位精度

4.2测定两个旋转轴和主轴之间的空间几何关系

这项需要按照五轴铣床的类型分为三种情况：

（1）双转台结构的五轴铣床

图3为一个双转台结构的示意图，在图中标出了两个旋转轴的轴线，这两根轴线应该如图中那样相交于一点。如果这两个旋转轴的轴线不相交，则要测定出两个轴线的偏心距离。

图3 双转台结构示意图 测定方法如下：先将C 轴转台校正，使C 轴转台平行于XY 平面（方法略）；再如图4所示，分别旋转B 轴+90°和-90°，测量两个方位下B 轴转台侧面最高点的高度差。如果高差为零，则双转台的空间几何关系符合理想情况，如果高差不为零，则B 、C 轴的偏心量

为此高差的二分之一。 图4 双转台轴线偏心量测定

（2）转台和单摆头结构的五轴铣床

图5为单摆头结构的示意图，图中标出了B 轴的轴线和主轴的轴线，这两个轴线应该相交于一点，如果它们不相交，需要测定出它们的距离，即主轴和摆动轴B 轴的偏心量。

图5 转台和摆头铣床摆头部分结构示意图

测定方法如下：先在主轴上装上检测用芯棒，校正B 轴，使芯棒（主轴轴线）垂直于XY 平面（方法略）；再如图6中所示，分别旋转B 轴+90°和-90°，测量两个方位下芯棒侧面最低点的高差。如果高差为零，则摆头和主轴间的空间几何关系符合理想情况，如果高差不为零，则主轴和B 轴的偏心量为此高差的二分之一。

图6 摆头和主轴偏心量测定

（3）双摆头结构的五轴铣床

图7为双摆头结构示意图，图中标出了主轴轴线、B 轴轴线和C 轴轴线。理想情况下，主轴轴线和C 轴轴线应该重合，B 轴轴线和它们相交。如果这三个轴线不符合这种理想情况，需要测定出它们之间的偏心量。

图7 双摆头结构示意图

转台最高点

转台最高点 C 轴轴线 B 轴轴线

主轴轴线

B 轴轴线

C 轴轴线

主轴轴线

B 轴轴线

首先，测定B轴和主轴的偏心量，方法和单摆头铣床的测定方法一样。

然后，测定C轴和主轴的偏心量，方法如下：如图8左边所示，在工作台上固定一个标准圆柱型，将千分表表座固定在C轴上，表针接触圆柱形侧面，调整机床XY轴的位置，使得C轴旋转时千分表读数不变，这样C轴轴线就和圆柱形的中心重合了，将这个位置机床的X、Y坐标值记录下来；如图8右边所示，先转动B轴，使主轴轴线垂直于工作台（XY平面），再在主轴上装上检棒，将表座固定在检棒上（主轴上），表针接触圆柱形侧面，调整机床XY轴的位置，使得检棒旋转时千分表读数不变，这样主轴轴线就和圆柱形中心重合了，将这时机床的X、Y坐标值同刚刚记录下来的坐标值比较，差值就是C轴轴线和主轴轴线的X、Y偏心量。

图8 双摆头铣床C轴和主轴偏心测定

综上所述，双转台铣床的B轴、C轴是结合为一体的双转台，要测定出B、C轴的偏心

纬线螺旋加工的方法各加工一个直径相同的球形，加工刀路如图11所示。加工好之后，测量两个球形的直径，和标准值比较误差。如果有条件，还可以测量两个球形的圆度和标准球形的误差值。

图11 五轴加工球形的两种刀路

以上就是用加工标准形状的方法来检测五轴铣床的五轴联动性能的一种基本方法。总结如下：

先加工一条直线，初步判断五轴空间几何关系测定的正确性，同时检测数控系统的补偿功能是否生效。这是一维形状的检测，是最基本的要求，在此基础上才能做下面的检测。

再加工一组平面，检测五轴空间几何关系测定的准确性，同时检测数控系统的补偿功能是否设定正确。这是二维形状的检测，比一维形状的检测的要求高一等级，如果检测合格，