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 tools

Abstract: Firstly，this paper introduces the precision detection technology of five axis NC machine tools, and then introduces the necessity of CNC machine tool accuracy detection accuracy requirements of CNC machine tools, points out the common and the traditional detection method, and introduce advanced detection method and detection instruments, tools, and the characteristics of each detection method.

Key words: Five axis NC machine tool；Precision detection

1 引言

五轴联动数控机床目前已大量用于航空制造等高端制造领域。由于机床复杂的机械结构及控制系统，五轴联动机床加工精度检测及优化一直是机械制造行业内研究的热点和难点，成为影响产品加工质量及效率的关键。对企业来说,购买数控机床是一笔相当大的投资,特别是购买大型机床。实践表明,大多数大型数控机床解体发运给用户安装时,必须在现场调试才能符合其技术指标,因此,在新机床检收时,要进行严格的检定,使机床一开始安装就能保证达到其枝术指标预期使用性能和生产效率。投入生产的数控机床使用一段时间后,必须再进行精度检定。通常新机床在使用半年后需再次进行检定,以后每年检测一次,定期检测机床误差,并及时校正螺距及反向间隙等,可切实改善使用中的机床精度及零件加工质量,提高机床的生产率。

2 数控机床精度检测技术研究现状

常用的机床误差测量方法有直接测量法和间接测量法,其中间接测量法,如首先用典型工件试切或试加工,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外学者的研究重点。

Heidenhaim公司研制的平面正交光栅(GGET),既可以检测圆轨迹又可以检测直线轨迹或不规则的异形平面运动。Wei Gao等用光电自准直仪检测主轴偏角的误差,用电容位移测头测出了主轴的轴向跳动误差,用直尺和电容位移测头结合检测出了导轨的直线度误差。用于直线运动轨迹检测的仪器,目前比较常用的有双频激光干涉仪和激光跟踪仪。上海交通大学与美国光动公司合作,基于激光多普勒位移测量仪提出了一种沿体对角的机床空间几何误差的激光矢量测量方法,通过分步测量机床工作空间的4条体角线,并结合空间误差综合模型快速分离机床的19项误差。该方法通过添加3个面上的6条对角线,可以实现分离出机床的21项几何误差。

根据国际生产工程协会(CIRP)的预测,至2012年,30%-50%的新机床将配备定位误差、直线度和各种转向误差的补偿功能。随着数控机床使用数量的增加,在使用过程中如何对数控机床精度进行再标定及误差溯源,调整机床以排除故障或对其进行误差补偿,并定期地对数控机床误差进行检测和补偿的需求也会增加。提高机床精度的关键步骤是误差检测,因此快速高效的误差检测方法也成为研究的重点,同时随着多轴数控机床的广泛应用,研究的对象也逐渐向多轴机床转移。

3 五轴数控机床的传统精度检测方法

五轴机床一般是比三轴机床多两个旋转轴。首先，要对三个直线轴进行检测；其次，是针对两个旋转轴的检测；最后，要对五轴联动性能进行检测。主要包括两个：

（1）三个直线轴的检测

方法和三轴铣床一样，所以这里不做叙述。

（2）两个旋转轴的检测

因为旋转轴的各项精度对五轴加工精度的影响远远大于三个直线轴精度的影响，所以对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。

转台最高点 转台最高点 C 轴轴线 B 轴轴