五轴机床转台回转轴运动误差的加工测试辨识方法

摘要： 针对五轴机床非切削检测方法安装检测过程复杂、检测效率低的问题，提出一种通过切削工件快速辨识机床回转轴运动误差的方法。首先建立五轴机床转台回转轴的运动学模型，引入误差敏感矢量，对工件进行加工测试，并从工件的加工误差中辨识出转台回转轴各项运动误差。工件只需一次安装即可检测出C轴四项运动误差，准确可靠，实施简便，效率高。

关键词：五轴机床；运动误差；辨识；加工测试

1.加工测试

摇篮式五轴机床转台回转轴的安装定位误差直接影响着工件相对于刀具位置的准确性。回转轴有三个直线位移误差 ， ， 和三个转角误差 ， 和 。其中对机床加工精度有显著影响的有：线性位移误差 、 ，角位移误差 、 。对于其余的运动误差进行分析可知： 可通过对刀等程序予以消除， 在回转轴的输出转角方向上，因此可以忽略不计。所以，只需检测出旋转轴的四项运动误差即可。

目前，五轴机床旋转轴误差辨识多采用非切削测量方法[1-2]，需要用到专用测量仪器。这些专用仪器的安装检测过程复杂，对检测人员技术要求高，对各种不同类型的五轴机床通用性不强。

根据本文作者前期研究提出的误差模型[3]进行误差辨识研究，如图1所示，工件加工的步骤如下：

1.1将工件安装在初始位置，即：Y轴保持静止，A轴保持水平静止，工件放在旋转轴（C轴）转角为0处（+X方向），距离工件中心距离为L。

1.2加工测量基准面

先测量基准面，方法如下：

在工件两侧沿Y方向各切削一平面，再沿X方向各切削一平面，宽度为2l，切深为h。切出四条交线a0、b0、c0、d0。a0和c0之间的距离是P0。b0和d0的距离是Q0。

1.3加工被测量平面

加工完测量基准面后刀具回到加工起始点，以消除运动误差对被测量平面切削的影响。在旋转轴转角为0度时，在工件边缘沿Y方向切削一平面，切宽为p，切深为h（相对于第一层），产生交线a。当C轴转角为90、180、270度时，均沿Y方向切削一平面，宽度为p，切深为h（相对于第一层），分别产生交线b、c、d。其中，a竖直面和c竖直面之间的水平距离是P，a水平面和c水平面之间的竖直距离是hca。b竖直面和d竖直面之间的距离是Q。b水平面和d水平面之间的竖直距离是hbd。

2.误差检测

以X方向的加工误差辨识为例，说明误差分离原理如下：

（1）

其中 表示误差敏感方向在+X方向，正是 所在的方向，通过（1）式，可求出 ，即C轴转过180度时，C轴原点在X方向上的漂移量。

同理，我们可以对Y方向和Z方向的误差进行辨识，求得

， ，

由此我们分离出C轴转过180度时，四项运动误差的值。

3.误差辨识

对工件第二层切削的垂直面和水平面的中线进行CMM检测。在每条中线上按一定间隔进行测量。对采样点进行最小二乘拟合，得到拟合直线。两拟合直线的实际距离与理论值的差值就是误差值。

4.结论

本文提出了一种基于加工测试的五轴机床转台回转轴运动误差的辨识方法，采用误差敏感方向矢量从已切削工件中识别运动误差，本方法操作简便，准确可靠，检测效率高，可推广到混合式结构和万能主轴头式结构的五轴机床中。

参考文献：

[1]S.Bossoni and J.Cupic.Test piece for simultaneous 5-axis machining. Laser metrology and machine performance VIII， 2007.P.24-33.

[2]C. Hong， S. Ibaraki， and A. Matsubara， Influence of position dependent geometric errors of rotary axes on a machining test of cone frustum by five-axis machine tools. Precision Engineering， 2011.35（1）： p.1-11.

[3]张亚，傅建中，陈子辰.摇篮式五轴机床空间误差的简化建模方法.机械设计， 2012.29（10）： p.76-79.

作者简介：张亚（1982.1-），男，机械制造及其自动化专业，博士，研究方向为数控技术。

基金项目：浙江省教育厅科研项目资助（Y201432545）