五轴龙门机床转动轴的误差检测方法探究

庞增涛 张强

摘 要：五轴龙门机床转动轴误差检测是非常重要的一个环节，做好此环节的工作，能够使五轴龙门机床处于正常、安全工作状态。本文在分析五轴龙门机床误差的基础上，进一步針对其转动轴误差检测方法进行探究，以期为掌握五轴龙门机床转动轴误差检测方法提供一些具有价值的参考建议。

关键词：五轴龙门；机床转动轴；误差；检测方

进入21世纪以来，在社会经济稳健发展的背景下，我国装备制造业呈现了较为快速的发展。对于五轴龙门机床，属于装备制造业中非常重要的一类加工设备，在各类复杂曲面加工作业中具备非常重要的应用价值，主要应用的领域包括：航空、航天、汽车模具、医疗器械等[ 1 ]。从现状来看，有关五轴龙门机床线性轴的检测方法已经较为成熟，但对于其转动轴的误差检测尚且有待完善。因此，本次对“五轴龙门机床转动轴的误差检测方法”进行探究价值作用显著。

1 五轴龙门机床误差分析

1.1 五轴龙门机床误差定义

五轴龙门机床主要的构件包括：床身、立柱、主轴、直线导轨以及转动轴等，从实际工作经验分析，每一成分均可能形成误差。大概机床根据某一种操作流程指令形成的实际影响和其操作流程预期形成的影响存在差异时，便称之为机床误差。从机床工作角度，可理解为：机床工作台与道具基于运动期间，理想位置与实际位置存在差异，便称之为机床误差。

1.2 五轴龙门机床误差来源

對于五轴龙门机床，其零部件以及结构在制造、转配过程中形成的几何误差，涵盖了零件尺寸误差以及装配误差两类。与此同时，还包括机床内部热源产生的热变形误差、机床外部热源产生的热变形误差以及机床自动自重产生的振动误差等。此外，机床轴系伺服系统也容易产生伺服跟随误差。总之，从目前来看，五轴龙门机床误差不可忽视。值得注意的是，由于受到转动轴检测方法不够规范成熟的影响，使得五轴空门机床转动轴误差较为突出。

2 五轴龙门机床转动轴的误差检测方法分析

在上述分析中，认识到五轴龙门机床误差不可忽视，尤其是其中的机床转动轴误差，更应该引起重视。下面针对其误差检测方法进行分析：

2.1 有关A轴向跳动误差的检测

要想明确五轴龙门机床转动轴的误差，首先需了解其回转轴的几个自由度，根据其自由度可分为跳动误差、回转误差等。针对不同的误差，便需进一步采取不同的误差分析方法。如下图1所示，A轴误差检测主要涉及的内容包括：①A轴回转误差RAX；②A轴向定位误差TAX，③沿Y轴、Z轴的位移误差TAY、TAZ；④绕Y轴、Z轴的颠转误差RAY；⑤偏转误差RAZ。

针对上述误差，经分析存在两种情况：（1）如果回转轴绕X轴进行转动，则沿着X方向的轴向跳动误差通常和X轴定位误差TAX、X轴偏摆误差RAY以及X轴颠摆误差RAZ存在关联系[ 2 ]。（2）倘若测量回转轴中心位置存在轴向跳动误差，那么X轴定位误差TAX与轴向跳动误差相等。所以，对于X轴定位误差TAX，可通过对回转轴中心位置的轴向跳动误差的测量直接获取[ 2 ]。

2.2 有关A轴回转误差的检测

针对A轴回转误差，不妨使用机床转动轴工装夹具（如下图2所示），对此夹具加以应用，能够对转动轴X的定位精度进行检测，进一步通过分析以及计算，得出A轴回转误差。通常情况下，会以精度要求的差异为依据，进一步根据不同情况进行分析：

（1）如果精度要求偏低，可使用激光跟踪仪进行相应的检测。把靶座在工装夹具上加以固定，为方便补充，需360度对X轴进行旋转，每间隔5°，采集获取各位置的坐标值。然后分析各坐标值，进一步获取转动的滚动误差。通常，为了使误差最大限度缩小，会进行重复检测，一般重复进行5次。

（2）如果精度要求偏高，可以使用精密分度台测量回转误差。在测量过程中，需固定分度台，转台需相对分度台进行转动。对于实际转动角和指令转动角之间的差异，则定义为回转误差。此类误差检测方法为：对工作台进行顺时针转动5°，工作台暂停后进行采样。然后，对工作台进行逆时针精密转台5°，把反射镜拨回测量原点，暂停后软件对此测量原点进行采样。反复进行上述操作，直至360°测量完成之后，获得转角误差。通产，为了使误差最大限度缩小，会反复进行5次检测。

3 结语

五轴空门机床转动轴误差的出现，会对五轴龙门机床的精密性及稳定性造成影响。因此，有必要针对其转动轴误差采取有效的检测方法。在选择转动轴误差检测方法过程中，需根据转动轴的自动度，对跳转误差、回转误差选取不同的检测方法，进一步使误差检测效果得到有效提高。相信在充分掌握五轴龙门机床转动轴误差检测方法的基础上，能够使五轴龙门机床的加工作业效率及质量得到有效提升，进一步为装备制造业的发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 黄克，关立文，杨亮亮，王耀辉.基于“S”形试件的五轴机床几何误差建模研究[J].机械设计与制造，2015，02：189-193.

[2] 宋智勇，霍彦波，杜丽，王伟，丁杰雄.五轴龙门数控铣床转动轴联动中的动态轨迹误差仿真分析[J].机械设计与制造，2012，04：47-49.