一種五軸聯(lián)動機(jī)床動態(tài)精度檢測及優(yōu)化方法*

彭志軍 劉大煒 宋智勇

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610092)

五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床目前已大量用于航空制造等高端制造領(lǐng)域。由于機(jī)床復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，五軸聯(lián)動機(jī)床加工精度檢測及優(yōu)化一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，成為影響產(chǎn)品加工質(zhì)量及效率的關(guān)鍵［1－2］。其中對機(jī)床加工精度的影響因素中，靜態(tài)精度檢測與補(bǔ)償已有大量標(biāo)準(zhǔn)［3－4］，而動態(tài)精度由于受機(jī)械和控制系統(tǒng)兩方面影響，其檢測和優(yōu)化則一直未能得到有效解決。在常見的精度檢測方法中，直線度、垂直度等基本的精度檢測只能反映機(jī)床靜態(tài)精度［5］，而數(shù)控系統(tǒng)中常見的螺距補(bǔ)償、垂度補(bǔ)償?shù)纫仓饕槍C(jī)床靜態(tài)誤差。基于試驗(yàn)件切削的樣件法能部分反映機(jī)床動態(tài)精度。如行業(yè)內(nèi)通用的NAS979(National Aerospace Standard Test Part 979)圓錐臺［6］，通過對機(jī)床加工的圓錐臺精度來評價(jià)機(jī)床精度，但該方法只能部分反映機(jī)床動態(tài)精度，無法對動態(tài)精度調(diào)整提出有效建議，且許多NAS件試切合格的機(jī)床，加工復(fù)雜零件時依然存在明顯問題。

本文提出一種基于S形試件［7］、五軸聯(lián)動RTCP(Rotation Tool Center Point)精度檢測的數(shù)控機(jī)床動態(tài)精度檢測及優(yōu)化方法。通過對具有形狀復(fù)雜、壁厚薄、剛性差等特點(diǎn)的S件試切，完成對機(jī)床加工精度的評價(jià)。通過球頭對機(jī)床RTCP精度檢測，分析并搜索存在問題的驅(qū)動軸，指導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整。利用西門子系統(tǒng)的監(jiān)控功能，記錄機(jī)床給定程序下運(yùn)動軌跡，通過對特定軸運(yùn)動曲線的幅頻、相頻分析，并結(jié)合圓度分析，完成對伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)整。通過20多臺數(shù)控機(jī)床的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了上述方法的有效性和工程實(shí)用性。

1 動態(tài)精度檢測流程

數(shù)控機(jī)床動態(tài)誤差往往與靜態(tài)誤差融合在一起影響機(jī)床精度，綜合反映為工件的加工質(zhì)量。機(jī)床加工精度的檢測一般用于新機(jī)床驗(yàn)收或工件表面質(zhì)量問題的處理，動態(tài)精度檢測與優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1中，RTCP精度檢測是指檢測機(jī)床五軸聯(lián)動時的刀尖運(yùn)動誤差(圖2)。一般流程為:激活機(jī)床RTCP功能，裝上合適檢棒(球頭)，設(shè)定機(jī)床各軸運(yùn)動范圍及速度，編制程序控制刀具繞刀尖中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中測量刀尖中心X、Y、Z向誤差。由于此過程機(jī)床五軸聯(lián)動，運(yùn)動過程中的刀尖中心位置誤差能有效反映各軸聯(lián)動時的動態(tài)精度。

RTCP精度檢測能反映3個或3個以上軸聯(lián)動時的機(jī)床動態(tài)特性。以圖2中AC雙擺頭機(jī)床為例，當(dāng)機(jī)床C軸為0°時，機(jī)床A擺角從－90°運(yùn)動至90°過程中A軸、Y軸、Z軸將聯(lián)動，此時機(jī)床終端各方向運(yùn)動誤差就反映了A軸、Y軸、Z軸的聯(lián)動精度，同理給定不同的C角、A角運(yùn)動范圍，以及刀尖位置值(X、Y、Z)，即可有針對性的檢測機(jī)床各軸在給定區(qū)域聯(lián)動時的動態(tài)精度，指導(dǎo)搜索問題軸、機(jī)械調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化。

S件模型由兩條S形樣條曲線生成直紋面并加厚得到(圖3)，具有壁薄、剛性差、表面曲率變化大的特點(diǎn)，不同部位加工中機(jī)床的擺角變化很大。

通過測量機(jī)測量S形試件單邊輪廓面3條曲線共99個點(diǎn)位的誤差(圖3中a、b、c三條曲線)，每個點(diǎn)位誤差包含X、Y、Z三個方向的誤差值。通過分析各測量點(diǎn)位誤差即可定性評價(jià)機(jī)床動態(tài)精度，并可對存在動態(tài)精度問題的軸進(jìn)行定位:超差點(diǎn)位分布規(guī)律用于搜索存在問題的軸，點(diǎn)位超差值大小則用于評估動態(tài)誤差的量級及可能原因。分析流程為:首先分析位置超差點(diǎn)分布規(guī)律，再調(diào)出加工程序，分析超差較大區(qū)域處的機(jī)床各軸位置及運(yùn)動狀態(tài)，即定性判斷可能存在問題的機(jī)床軸及大概位置。

根據(jù)流程圖1，當(dāng)出現(xiàn)零件表面質(zhì)量問題時，首先借助RTCP動態(tài)精度檢測，如果不合格則進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整;合格后則進(jìn)行S件試切，如果此時S件試切出現(xiàn)問題，則根據(jù)試切結(jié)果分析問題原因，對特定區(qū)域再次進(jìn)行RTCP精度檢測并指導(dǎo)調(diào)整;最終以S件試切是否合格為標(biāo)準(zhǔn)，判斷機(jī)床是否可投入使用。

2 動態(tài)精度優(yōu)化

動態(tài)精度優(yōu)化和檢測過程相輔相成，包含了RTCP精度檢測、坐標(biāo)軸運(yùn)動特性(幅頻、相頻等)分析、圓度測試、機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、伺服控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整、S件試切分析等環(huán)節(jié)。其中第一步RTCP精度檢測為綜合性檢測，后續(xù)RTCP精度檢測主要用于S件試切結(jié)果的進(jìn)一步分析、機(jī)械調(diào)整及參數(shù)調(diào)整結(jié)果評測、問題軸和問題區(qū)域搜索與定位等目的。

RTCP精度檢測需設(shè)定如下參數(shù):刀尖位置、擺角運(yùn)動范圍及各軸運(yùn)動速度。因此通過調(diào)整上述參數(shù)，可測評機(jī)床特定軸在特定區(qū)域下，以特定速度運(yùn)動時的動態(tài)精度。RTCP精度檢測結(jié)果對于動態(tài)誤差原因分析以及機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整等具有較為明確的指導(dǎo)價(jià)值。

坐標(biāo)軸運(yùn)動特性主要包括幅頻、相頻特性曲線，可作為RTCP精度檢測的補(bǔ)充，用于進(jìn)一步搜索問題軸和問題原因，并指導(dǎo)伺服系統(tǒng)各控制環(huán)參數(shù)的調(diào)整。目前有一些專門的監(jiān)控軟件和儀器用于單個軸的運(yùn)動特性分析，如ARTIS等，實(shí)際生產(chǎn)一般可直接利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的監(jiān)控與分析功能模塊。在RTCP精度檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對需進(jìn)一步分析的坐標(biāo)軸，給定其運(yùn)動區(qū)域和速度，監(jiān)測并記錄其運(yùn)動特性曲線，即可對該軸的運(yùn)動特性做詳細(xì)分析。

圖4是基于西門子840D系統(tǒng)的軸狀態(tài)監(jiān)控與分析功能模塊繪制的某機(jī)床X軸運(yùn)動幅頻域和相頻域曲線，可標(biāo)記曲線上任意點(diǎn)對應(yīng)的頻率、幅度和相位值，為該軸伺服控制系統(tǒng)中的電流環(huán)、速度換、位置環(huán)相關(guān)控制參數(shù)的有效性進(jìn)行評價(jià)，并為參數(shù)調(diào)整提供參考。

圓度測試是指檢測機(jī)床2個軸或2個以上軸聯(lián)動走圓軌跡的運(yùn)動誤差(圖5)，可以借助雙球桿(DBB)或數(shù)控系統(tǒng)自帶的圓度測試模塊完成。圓度測試同樣需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)，如聯(lián)動軸、運(yùn)動速度、圓軌跡半徑等，通過設(shè)定合適的參數(shù)，同樣可有針對性地對某些軸在某些運(yùn)動狀態(tài)下的動態(tài)特性進(jìn)行分析，以指導(dǎo)搜索動態(tài)誤差原因。

圓度測試須盡量滿足如下條件:(1)測試速度盡可能快，(2)圓的直徑盡可能的小，(3)擺角聯(lián)動的測試需等直線軸調(diào)試成功之后才能進(jìn)行。通過分析圓度測試曲線，可以對機(jī)床問題軸的動態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)試增益、前饋、摩擦系數(shù)、加速度、加加速度等關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)，也可檢測機(jī)械傳動間隙等，指導(dǎo)間隙補(bǔ)償。上述參數(shù)優(yōu)化后必須進(jìn)行測試，反復(fù)調(diào)整直至符合要求為止。通過圓度測試和幅頻、相頻分析，對機(jī)床的相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)調(diào)整后，還需要反復(fù)上述測試，滿足RTCP精度要求后再進(jìn)行S件試切，如果S件試切合格則認(rèn)為動態(tài)精度優(yōu)化完畢，機(jī)床可交付使用。

綜上機(jī)床動態(tài)精度的優(yōu)化包含如下5個步驟:整機(jī)動態(tài)精度檢測、動態(tài)誤差原因分析、特定軸的動態(tài)精度檢測、機(jī)械調(diào)整與控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化結(jié)果評測。上述各步驟所需借助的設(shè)備、軟件等各不相同，但并沒有絕對的先后之分，優(yōu)化過程是一個反復(fù)調(diào)試的過程，最終優(yōu)化結(jié)果是否滿足加工要求必須通過S件試切驗(yàn)證。

3 應(yīng)用實(shí)例

五軸聯(lián)動機(jī)床動態(tài)精度檢測與優(yōu)化方法目前已在成飛公司數(shù)控加工廠得到大量應(yīng)用，并取得良好效果。

某五軸立式加工中心(AB擺)驗(yàn)收時，進(jìn)行了五軸聯(lián)動試切NAS件圓錐臺，NAS件精度和表面粗糙度良好，但S試件測量結(jié)果顯示，零件表面存在多處點(diǎn)位超差(圖6)。

圖6中，橫坐標(biāo)表示S件側(cè)面輪廓上單層的33個測點(diǎn)的點(diǎn)位數(shù)，縱坐標(biāo)表示每個點(diǎn)位對應(yīng)的三層上3個測量點(diǎn)的X向誤差均值，超差區(qū)域主要集中在側(cè)面輪廓的中間和一端(圖7)，超差值最大為0.18 mm。

分析S件加工程序，找到機(jī)床在加工S件中間和一端問題區(qū)域時各軸狀態(tài)，并據(jù)此完成RTCP精度測試，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析機(jī)床X/Y/Z/A/B各坐標(biāo)軸的幅頻特性、相頻特性的波形曲線，發(fā)現(xiàn)部分坐標(biāo)軸存在階躍等異常波形(圖4)，調(diào)整相應(yīng)的問題坐標(biāo)軸的機(jī)械系統(tǒng)剛性和控制環(huán)參數(shù)。

表1 某立式加工中心RTCP精度檢測結(jié)果

經(jīng)過3次反復(fù)調(diào)整，機(jī)床動態(tài)精度有很大改善，X軸運(yùn)動的幅頻、相頻特性曲線如圖8所示，已基本消除階躍等異常波形。

再次進(jìn)行RTCP精度檢測，優(yōu)化后的精度改善明顯(表1)。

再次試切S件并檢測，測點(diǎn)X向誤差最大值由優(yōu)化前的0.18 mm減小為優(yōu)化后的0.045 mm，S件加工質(zhì)量改善明顯(圖9)，機(jī)床成功交付使用。

動態(tài)精度檢測與優(yōu)化還可幫助舊機(jī)床性能提升。實(shí)際生產(chǎn)中，兩臺已投入生產(chǎn)10多年的機(jī)床出現(xiàn)了嚴(yán)重的零件表面波紋問題，只能用于粗加工，通過本文的動態(tài)精度檢測方法，準(zhǔn)確定位機(jī)床磨損零部件，通過更換相關(guān)零件并調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，使機(jī)床加工精度大幅提高，重新投入復(fù)雜曲面零件的加工。

4 結(jié)語

本文基于航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的實(shí)際情況，對檢測五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床動態(tài)精度及優(yōu)化方法進(jìn)行研究，得到系統(tǒng)的基于S件、RTCP精度檢測、幅頻相頻域分析、圓度分析的機(jī)床動態(tài)精度檢測和優(yōu)化方法，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。

(1)S件壁薄、剛性差、表面曲率變化大的特點(diǎn)，能有效反映因機(jī)床動特性差引起的加工誤差，定性判斷機(jī)床動態(tài)精度差的主要原因，并指導(dǎo)制訂RTCP精度檢測區(qū)域。

(2)RTCP精度檢測能得到機(jī)床相關(guān)區(qū)域動態(tài)精度檢測的定量數(shù)據(jù)，能有效分析該區(qū)域內(nèi)相關(guān)軸聯(lián)動時的動態(tài)精度，進(jìn)而在S件分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定產(chǎn)生機(jī)床動態(tài)誤差的原因。

(3)基于數(shù)控系統(tǒng)自帶的坐標(biāo)軸幅頻、相頻特性曲線記錄與分析模塊，可完成對機(jī)床各軸在指定區(qū)域的運(yùn)動特性分析，為伺服控制系統(tǒng)參數(shù)評測與優(yōu)化提供指導(dǎo)。

(4)圓度測試能檢測兩個軸聯(lián)動時的動態(tài)精度，為進(jìn)一步搜索動態(tài)誤差的原因提供參考，圓度測試可借助雙球桿(DBB)或數(shù)控系統(tǒng)自帶功能模塊完成。

(5)五軸聯(lián)動機(jī)床動態(tài)精度的檢測與優(yōu)化中，檢測與調(diào)整的各環(huán)節(jié)相輔相成，需設(shè)定滿足機(jī)床實(shí)際加工需求的相關(guān)測試參數(shù)，并多次反復(fù)調(diào)試完成。當(dāng)S件最終試切合格后，機(jī)床才可投入生產(chǎn)。

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