五轴数控机床旋转轴几何误差辨识与优化改善

陈远芳

摘 要：五轴数控机床在我国机械制造业迅速发展的过程中，应用范围越来越广。但由于箱体结构件加工误差和装配累计误差的影响，使得在机床加工过程中产生偏差，造成加工误差。深入分析机床运动的传递规律，判断机床运动副和旋转负误差传递矩阵，建立了机床移动轴和旋转轴运动模型，实现了误差检测。针对目前旋转轴误差判别法提出了改进方案，增加了球杆仪测量次数，有效地迭代了激光干涉仪的检测范围，提高了整个检定工作的效率，保证了动态精度误差补偿的可行性。

关键词：五轴数控机床;旋转轴;几何误差辨识;优化改善

引言

随着现代工业的不断发展，数控机床已广泛应用于工业生产，不同行业对产品质量的要求也不尽相同。机床多轴、高精度发展的过程中，机床误差引起的问题也是十分普遍的，因此在新时期对机床误差进行有效控制是十分必要的，通过采用误差预防方法或采用误差补偿方法，可以加强机床加工误差的有效控制与管理，取得良好的经济效益，为我国工业加工行业的发展提供了重要保障。五轴数控机床主要有移动轴、旋转轴、车体等，要建立五轴数控机床的几何误差模型，并对其进行检测，以全面优化机床误差控制。

1 五轴加工中心回转轴几何误差的检测。

1.1几何错误量

通过对五轴龙门加工中心整体结构的分析，发现机床旋转轴工作时，内外因素共同作用，极易偏离理想轴线，引发误差。加工机床运动时，需沿所给方向法向行走，而运动件的加工误差及安装误差将导致导轨的相对运动偏离所要求的轴线而引起角度偏差。

1.2回转轴线和几何误差

加工机械的转轴运动。在机床上进行加工时，由于工件的装配误差产生轴向窜动误差，影响到机床的受力变形和接触表面的摩擦力等，使机床的转轴运动路线偏离理想的轴线，产生多种几何误差。

1.3安装误差

五轴数控机床的旋转轴的安装受限箱体与中心轴加工精度影响，在装配时同轴度要求0.02mm，精度要求较高人工装配难以达到。且需要通过曲臂原则将同轴的高点调到同一个方向，以此降低安装误差。

2 旋转轴误差补偿数控机床

2.1补偿转轴误差

其中误差补偿主要包括三个环节，首先建立误差补偿模型，然后根据测量仪器测量的误差值进行检测，最后对误差结果进行分析，实现误差补偿，通常采用的补偿方法有硬件补偿和软件补偿。在补偿过程中，硬件补偿主要是通过减小刀具、工件位置误差或采用机械方式来实现补偿，该补偿方法操作复杂，整体效率低，补偿结果难以保证。通过软件补偿，可直接改变NC程序，快速补偿刀具切削点和加工中心的位置，操作简单、效率高，能对误差数据进行准确处理，达到精确效果。当前在工件及刀具相对位置加工时，各轴的实际数值和理想值有明显的偏差，机床旋转轴的结合误差也属于静态误差，通过改变NC程序，可使刀具与工件之间的误差补偿有效地消除机械加工中的误差。在实验室中所用机床建立起转轴的运动关系，并通过误差补偿对不同的动轴和转轴输入补偿值，快速地调整刀尖位置和姿态，方便数控编程时以工件坐标为导向，用转轴的运动表示工件坐标变量。而且在刀具处于理想位置时，各种误差因素都会导致刀尖偏离理想位置，此时刀尖处会产生较大的加工误差。所以要采用先补偿方向矢量，再补偿位置矢量的方法来全面更新补偿方法。刀具方向矢量需要在旋转运动中进行调整，并将方向矢量补偿后的刀具向理想状态移动。

2.2旋转轴误差补偿

在五轴联动数控机床的补偿中，各坐标系误差的补偿效果最好，但在实际加工中，各坐标系之间仍存在着偏差，因此使得实际的误差补偿十分复杂。本文提出了一种基于最小误差假设的矢量补偿方案，该方案将机床误差模型引入矢量方向量，得到实际方向矢量。依据机床运动关系，求出动轴转动及主轴误差。利用坐标变换对运动负、旋转负误差传递矩阵进行分析，建立了能充分考虑球感长度机床进给速率中心的误差补偿模型。利用机床检测系统检测C轴旋转中心位置，可以显著提高测量精度，改善安装的准确性和通用性。

3 五轴联动数控机床优化改造策略

3.1改进加工设备

为有效地解决五轴数控机床旋转轴几何误差问题，需要对机电进行综合优化，并结合国际先进产品精度允许差差的对比，可以發现，对于机床精度检测的关键项目，还存在着与国际先进水平有明显的偏差，而机械精度与控制系统没有直接的关系，且机械本身精度不高，任何先进的检测控制系统都不能发挥其应有的作用，因此对五轴数控机床连接件的缺陷进行全面优化，以提高机床的整体精度，通过对五轴数控机床连接件进行优化，提高机床的整体精度。由于在现有的工装夹具中还存在着很多问题，所以需要对丝杠、直线导轨、拖板等适配型新型工装进行再制造。

3.2机械加工装配工艺优化

立式五轴加工中心的两个旋转都是安装在工作台上，一个旋转轴围绕着X轴做旋转运动，我们定义为A旋转轴，A轴的工作范围在+30度至-120度。在A旋转轴中间设置了一个回转台，从图上可以看出这个回转台是围绕着Z轴做回转运动，我们定义为C旋转轴，C旋转轴的工作范围在360度回转。A轴和C轴组合的立式五轴加工中心一次对工件夹装可完成除了安装面以外的其它面加工，A旋转轴和C旋转轴最小分度值为0.001度，这样可以加工任意一个角，简单说加工面没有一个死角，主轴可以加工到每一个角度，安装面除外，加工出斜面、斜孔完全没有问题。立式五轴加工中心两个旋转轴设置在工作台上的优缺点此类立式五轴加工中心的优点就是A旋转轴和C旋转轴与三个直线轴可实现五轴联动，可以加工复杂空间曲面，当然这还要数控系统、伺服系统和软件的支持。这种两个旋转轴设置方式还有一个优点是主轴结构简单，主轴刚性好、制造成本比较低。而缺点是工作台不能设计太大、工作台承重能力小，特别是当A旋转轴回转的度数大于或等于90度是时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

3.3性能更高的转台应用和优化

五轴数控机床旋转轴的精度优化控制，由于其刚性控制精度和稳定性都较差，且控制回转台的PLC逻辑控制不合理，极易导致通信故障引起机床的过载报警等问题，因此应选择高性能回转台，既能满足刚性要求，又能对PLC控制逻辑进行综合优化。另外要针对电器柜的设计进行全面的优化，尽量把强、弱电分开，减少电磁干扰等问题，还需要对电器柜的图纸进行标准化处理，方便机床符合国际标准。电气柜体结构优化时，需将星转角接触器由三个减为两个，节省了电器元件及生产成本，简化了电路结构，并将继电器改为继电器模块，减少了占用空间，节省了生产成本。

结语

在我国工业产业高速发展背景下，有许多领域都需要通过模具进行生产制造，因为不同的生产产品具有多样化的特点。要想实现批量化生产，就必须利用模具进行快速制造，对于模具的质量要求也在不断增加。五轴联动数控机床在加工过程中，旋转轴的配合误差是十分普遍的，用球杆代替激光干涉仪来测量中心转轴的误差，可以迅速消除。为了构建机床几何误差模型，提高测量精度，加强误差补偿的整体效果，通过误差补偿可以提高机床的加工精度，改善前期设计和制造安装的整体效果，从源头上加强我国数控设备性能与国际接轨。

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（上海拓璞数控科技股份有限公司，上海 201108）