加工中心五轴联动插补误差补偿技术

闫龙+纪鑫+臧笑宇+何一方

摘要：随着机械行业的不断发展，制造行业对零件加工精度要求不断提升，零件结构也日趋复杂，这样在制造加工过程中使用五坐标加工中心频率越来越高，也对设备精度提出很高要求，尤其在航空产品中，零件空间机构尺寸精度和位置精度达到0.005-0.025mm，这样高精度尺寸和技术要求需要克服机床自身的机械误差、重复定位误差和机床中心数误差带来的加工误差，这些误差无法人为直接预知和消除，利用该技术可以在加工高精度要求空间结构时预先测量误差并通过计算补偿空间误差，从而得到合格产品，随着高精加工需求的增加，故此市场前景非常广阔。

关键词：加工中心 五轴联动 高精度 误差 补偿

一、技术开发目的：

该项技术用于五坐标加工中心铣床在利用五轴联动加工空间位置时，由于机床自身机械误差和机床坐标系中心数误差而造成的五轴联动后插补值微小误差，由于联动的角度和位置千变万化，该误差在加工中无法被发现和消除，从而导致零件加工位置误差，利用该技术可以利用打表和计算发现误差值，并对加工进行补偿，保证零件加工无误。

二、技术方案：

1、设计原理：利用五坐标加工中心加工位置坐标，极半径长度及机床主轴与加工零件轴线形成角度间函数关系，结合打表测量的加工位置与理论位置在X、Z或Y、Z向偏差值，进行函数运算，将实际偏差值补偿到机床加工坐标系中，将插补误差消除；

2、应用方法：以加工台阶孔保证同轴度为例（旋转C轴中心为Z轴，平面坐标为X、Y平面，G17平面）：首先，将机床主轴利用数控程序摆放到要加工空间位置，沿主轴方向打表得到主轴位置与零件已有底孔位置在轴向和周向的偏差值，并标记方向；其次利用函数公式计算出空间偏差在平面坐标系中的补偿值，即在C轴和Z轴的补偿值；最后在补偿后重新运行程序对补偿后主轴五轴插补联动定位位置进行验证。

3、创造性、新颖性：通过将加工不同空间位置时将主轴偏差进行编程打表检测，并将偏差投影到平面坐标中进行补偿加工坐标系，将无法直接测量和操作者无法预知和发现的加工误差变成直观的平面坐标补偿数值，应用更加直接易懂，且效果准确明显，并且可以验证正确性。

三、应用举例：

以加工高压涡轮类机匣零件外型面岛屿上空间斜孔和与其同轴的沉头孔为例，前提是两组同轴的孔无法在一次装夹中完成加工。其中一组螺纹孔从零件外侧加工，另一组沉头孔在零件重新装夹后利用90度角度头从零件内侧加工，两次加工存在重复定位误差、机床机械误差、角度头误差和机床中心数造成的五轴联动插补误差。以此为例（旋转C轴中心为Z轴，平面坐标为X、Y平面，G17平面）：首先，将机床主轴利用数控程序摆放到要加工空间位置，沿主轴方向打表得到主轴位置与零件已有底孔位置在轴向和周向的偏差值，并标记方向；其次利用函数公式计算出空间偏差在平面坐标系中的补偿值，即在C轴和Z轴的补偿值（如下图1中所示的螺纹孔与沉头孔中心的偏差）；最后在补偿后重新运行程序对补偿后主轴五轴插补联动定位位置进行验证。

附图1

附图2

加工顺序为，外侧螺纹孔–内侧沉头孔，加工后沉头孔会相对螺纹孔有不定向的偏移（如上图1所示）

1）、在机床主轴中心装夹杠杆表，按附图2中测量H1、H2；

2）、按附图2中测量V1、V2；

3）、水平方向调整值：（H1-H2）/2；

4）、垂直方向调整值：（V1-V2）/2；

5）、如果只想把沉头孔上移，将（V1-V2）/ 2增加到原有G54坐标系Z值上；

6）、如把沉头孔左移=把螺纹孔右移

调整值：A=（H1-H2）/2，

利用公式：C=常数XA

常数可根据附表1函数表进行查找，将结果增加到G54坐标系的C值上。

附表1

四、技术方案的有益效果：

目前，将该项技术已应用于美普惠公司高压涡轮机匣类零件外型空间岛屿上台阶孔和螺纹孔的加工，孔径公差0.05mm，位置度公差0.127mm，应用设备为德马吉公司的DMU125P型五坐标加工中心，应用该技术消除了机床联动加工外型螺纹和连接90度角度头联动加工内型同轴台阶孔间的误差，合格率由不足20%提升为100%，补偿准确性极高。

随着应用范围的不断扩大和加工零件类型的增加，以及零件结构不断复杂化，尺寸和技术条件不断高精度化，利用该技术可以在加工空间结构复杂，尺寸要求精度高时预先测量误差并通过计算补偿空间误差，从而得到合格产品，随着高精加工需求的增加，故此市场前景非常广阔。

参考文献：

西门子840D操作说明书 西门子（中国）

PWA360 Pratt & Whitney Group