雙擺角銑頭幾何精度檢測及五軸補(bǔ)償*

于春明 劉 波

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽 110142)

雙擺角銑頭是五軸數(shù)控機(jī)床的核心功能部件［1］， 直驅(qū)式雙擺角銑頭因其“零傳動(dòng)”［2－3］的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而成為雙擺頭的主要發(fā)展方向。由于雙擺角銑頭自身便擁有五軸中的兩個(gè)軸，且集成了切削主軸，因此3個(gè)軸線之間的空間相對(duì)位置偏差直接影響整個(gè)雙擺角銑頭的幾何精度，從而影響RTCP精度。以力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)式A軸可自動(dòng)交換的A/C軸雙擺角銑頭和西門子840D操作系統(tǒng)為例，簡述雙擺角銑頭的幾何精度檢測和RTCP的精度補(bǔ)償過程。

1 雙擺角銑頭的幾何精度

雙擺角銑頭的旋轉(zhuǎn)軸線包括繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸和切削主軸S軸。從幾何原理上分析擺頭自身的精度，它包括各軸之間的角度誤差和偏移誤差以及主軸本身的旋轉(zhuǎn)誤差。具體如下:(1)A/C軸在XZ面內(nèi)的角度誤差和在YZ面內(nèi)的位置誤差。(2)A/S軸在XZ面內(nèi)的角度誤差和在YZ面內(nèi)的位置誤差。(3)C/S軸在A軸零度位置，XZ面內(nèi)的角度誤差，XY面內(nèi)的位置誤差。以A/C兩軸為例來說明角度誤差和偏移誤差的具體含義，如圖1所示。A/C軸之間的角度誤差為α，位置誤差為S。(4)切削主軸的徑向跳動(dòng)和主軸錐孔的端面跳動(dòng)誤差。(5)C軸與XY平面的垂直度。

擺頭最終要安裝到滑枕上，因此對(duì)于整機(jī)而言，還要滿足C軸與XY平面的垂直度要求。

因此可以將雙擺角銑頭幾何精度檢測細(xì)化為9個(gè)檢測項(xiàng)目，但是主軸軸線S與C軸的角度誤差是由A軸與C軸之間的角度誤差和A軸與主軸S之間的角度誤差間接控制的，可以不作為精度檢測項(xiàng)目，因此雙擺頭的幾何精度檢測對(duì)實(shí)際裝配調(diào)試有指導(dǎo)意義的只有8項(xiàng)指標(biāo)。依次定義代號(hào)如下:G1為主軸錐孔軸線的徑向跳動(dòng);G2為主軸軸頸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng);G3為主軸軸線S與A軸旋轉(zhuǎn)軸線的垂直度;G4為主軸軸線S與A軸旋轉(zhuǎn)軸線在同一平面內(nèi)的相交度;G5為主軸軸線在垂直于水平位置與C軸旋轉(zhuǎn)軸線的重合度;G6為A軸旋轉(zhuǎn)軸線與C軸旋轉(zhuǎn)軸線的垂直度;G7為A軸旋轉(zhuǎn)軸線與C軸旋轉(zhuǎn)軸線在同一平面內(nèi)的相交度;G8為C軸旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)XY面的垂直度。

2 各軸之間的角度誤差補(bǔ)償

軸與軸之間的空間位置關(guān)系包括位置和角度誤差，其中角度誤差要通過機(jī)械調(diào)整的方法來進(jìn)行精度補(bǔ)償。具體的角度誤差的調(diào)整方式如下所述。

2.1C軸旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)XY面的垂直度(G8)

如圖2所示，首先將C軸安裝在滑枕內(nèi)，將指示器固定在C軸上，千分表打在工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)C軸，觀察指示器讀數(shù)，通過磨削調(diào)整墊來控制C軸與XY面的垂直度，以達(dá)到精度要求。這是雙擺頭裝配的第一步，校準(zhǔn)基準(zhǔn)軸C軸的位置。

然后將可交換的A軸部件裝到C軸上，進(jìn)行A軸和C軸零點(diǎn)的第一次預(yù)置。具體設(shè)置方法詳見下一節(jié)的零點(diǎn)位置補(bǔ)償。

2.2 A軸旋轉(zhuǎn)軸線與C軸旋轉(zhuǎn)軸線的垂直度(G6)

如圖3，鎖定X軸，指示器固定在工作臺(tái)上，A軸分別處于90°和－90°位置，指示器測頭與檢棒的側(cè)母線最高點(diǎn)接觸，分別在A軸的兩個(gè)位置讀取數(shù)值，旋轉(zhuǎn)C軸角度位置，使指示器處于左右位置時(shí)讀數(shù)相等，并將指示器調(diào)零，然后在檢棒上的接觸點(diǎn)做標(biāo)記。

旋轉(zhuǎn)A軸到0°位置，指示器保持位置不動(dòng)，移動(dòng)擺頭Z軸和Y軸，使指示器測頭重新接觸，讀取數(shù)值。將C軸旋轉(zhuǎn)180°重復(fù)以上步驟，將兩次的數(shù)值取平均與A軸到測量點(diǎn)之間的距離相除，則為A軸與C軸的角度偏差。如果不滿足精度要求，則如圖4所示磨削A軸與C軸之間的調(diào)整墊來進(jìn)行調(diào)整，直到滿足精度要求。

2.3 主軸軸線S與A軸旋轉(zhuǎn)軸線的垂直度(G3)

如圖5所示，分別在A軸90°位置，C軸0°位置和A軸 －90°位置，C軸 180°位置，將指示器固定在工作臺(tái)上，測頭與檢棒側(cè)面母線最高點(diǎn)接觸，沿著Y軸方向移動(dòng)擺頭，在檢棒根部和距離根部300 mm處讀取檢測數(shù)值，若不滿足A軸和主軸S之間的角度偏差要求，則通過磨削主軸與主軸箱安裝結(jié)合面處的調(diào)整墊來進(jìn)行補(bǔ)償，直到滿足要求。

至此，C軸軸線、A軸軸線和主軸軸線S之間的角度偏差通過機(jī)械調(diào)整方式全部調(diào)整完畢。

3 RTCP與各軸之間的位置偏差補(bǔ)償

RTCP是繞刀具中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)(Rotation Tool Center Point)的英文縮寫。如果有RTCP功能，AC軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)將使刀具中心始終保持在一個(gè)固定的XYZ位置上，為了保持這個(gè)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的每一個(gè)動(dòng)作都會(huì)被XYZ的一個(gè)直線位移所補(bǔ)償，否則刀具中心將會(huì)隨著軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生位移［4］。

因此擺頭軸線之間的位置誤差能夠通過RTCP功能，以電氣補(bǔ)償?shù)姆绞絹磉M(jìn)行精度的控制。

下面以西門子840D系統(tǒng)為例闡述雙擺角銑頭電氣補(bǔ)償?shù)姆椒ê筒襟E。影響RTCP精度的主要因素有機(jī)床各軸的定位精度和重復(fù)定位精度，RTCP的中心點(diǎn)長度，RTCP的機(jī)械偏心補(bǔ)償，回轉(zhuǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)零點(diǎn)位置等。

3.1 RTCP的中心點(diǎn)長度

如圖6，L1為刀具長度，L2為主軸鼻端到A軸回轉(zhuǎn)中心的長度，L3是 RTCP的中心點(diǎn)長度，是RTCP的主要系統(tǒng)參數(shù)之一，此數(shù)值要補(bǔ)償?shù)较到y(tǒng) MD24550［2］中。

3.2 回轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)零度位置

A軸零點(diǎn)設(shè)定:如圖7所示，在YZ面內(nèi)，鎖定Y軸，指示器固定在工作臺(tái)上，將測頭觸及檢棒表面最高點(diǎn)，移動(dòng)Z軸300 mm，讀取兩次讀數(shù)之差;C軸旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)以上步驟，調(diào)整A軸角度，使兩側(cè)讀數(shù)差值相等，此位置設(shè)為A軸零點(diǎn)。如果A軸采用絕對(duì)編碼器則通過MD34210設(shè)置零點(diǎn)，如果采用增量編碼器則通過MD34090設(shè)置零點(diǎn)位置。

C軸零點(diǎn)設(shè)定:如圖8所示，A軸旋轉(zhuǎn)至90°位置，指示器固定在工作臺(tái)上，指示器測頭與檢棒側(cè)面最高點(diǎn)接觸，讀取數(shù)值，固定指示器，將A軸旋轉(zhuǎn)至－90°位置，再次用指示器測頭接觸檢棒側(cè)面最高點(diǎn)讀取數(shù)值，調(diào)整C軸角度位置，使指示器在兩側(cè)的讀數(shù)相等，此時(shí)A軸垂直于Y軸，此位置為C軸零點(diǎn)位置。如果C軸采用絕對(duì)編碼器則通過MD34210設(shè)置零點(diǎn)，如果采用增量編碼器則通過MD34090設(shè)置零點(diǎn)位置。

3.3 定位精度和重復(fù)定位精度補(bǔ)償

關(guān)于雙擺角銑頭A/C軸定位精度和重復(fù)定位精度的檢測，目前有兩種方法，一種是以激光干涉儀檢測［5］，另一種是用正多面體來檢測。下面通過圖示來說明正多面體的檢測方法。檢測設(shè)備:正36面體，光電子準(zhǔn)直儀。A軸定位精度和重復(fù)定位精度檢測，如圖9。

將正多面體與A軸旋轉(zhuǎn)軸連接，光準(zhǔn)直儀固定在工作臺(tái)上，記錄角度偏差數(shù)據(jù)，分析工具可以使用雷尼紹的分析軟件，如不滿足要求則要進(jìn)行定位精度補(bǔ)償。C軸定位精度和重復(fù)定位精度檢測，如圖10所示，將A軸調(diào)整至0°位置，此時(shí)C軸和主軸軸線同軸，將正多面體固定在主軸刀柄端，與主軸軸線同軸，分析測量方式與A軸相同。

3.4 RTCP的偏心補(bǔ)償

(1)主軸軸線S與A軸旋轉(zhuǎn)軸線在同一平面內(nèi)的相交度(G4)

如果可能，鎖緊Z軸。A軸旋轉(zhuǎn)至90°，C軸0°位置，指示器固定在工作臺(tái)上，測頭觸及檢驗(yàn)棒下表面母線位置并調(diào)零。開啟RTCP功能，將C軸旋轉(zhuǎn)至180°，同時(shí)A軸旋轉(zhuǎn)至－90°位置，讀取數(shù)值。

指示器讀數(shù)差值的一半即為A軸和S軸的位置誤差。將此值補(bǔ)償?shù)組D24550［1］中。

A/C軸回零，重復(fù)以上步驟直到所得數(shù)值滿足精度要求為止。

(2)主軸軸線在垂直于水平位置與C軸旋轉(zhuǎn)軸線的重合度(G5)

將A、C軸回零點(diǎn)，開啟RTCP功能，測頭在XZ面內(nèi)觸及主軸外表面最高點(diǎn)，C軸每90°旋轉(zhuǎn)一次，旋轉(zhuǎn)4次，讀取數(shù)值，將0°與180°的讀數(shù)差值的一半作為A軸與主軸位置誤差在X方向的投影所得的數(shù)值，將90°與270°的讀數(shù)差值的一半作為A軸與主軸位置誤差在Y方向的投影所得的數(shù)值。然后分別對(duì)應(yīng)X、Y方向?qū)?shù)值補(bǔ)償?shù)较到y(tǒng)的MD24560［0］和 MD24560［1］中，補(bǔ)償后重新回零操作，重復(fù)以上步驟，直到所測的數(shù)值滿足精度要求為止。

整個(gè)調(diào)整過程和補(bǔ)償過程，G3、G6、G8參與了軸線之間角度偏差的機(jī)械補(bǔ)償;G4、G5參與了RTCP精度補(bǔ)償，而G7項(xiàng)沒有參與任何一個(gè)調(diào)整和補(bǔ)償過程。

(3)A軸旋轉(zhuǎn)軸線與C軸旋轉(zhuǎn)軸線在同一平面內(nèi)的相交度G7項(xiàng)的存在必要性

G7項(xiàng)是軸線之間的位置偏差，屬于電氣補(bǔ)償?shù)捻?xiàng)目。但是G7項(xiàng)是由G4和G5項(xiàng)間接控制的，它們形成一個(gè)尺寸封閉環(huán)。雖然G7項(xiàng)在電氣補(bǔ)償中沒有用到，但是對(duì)裝配精度有一定的參考和指導(dǎo)作用。

4 結(jié)語

以力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)式A軸可自動(dòng)交換的A/C軸雙擺角銑頭和西門子840D操作系統(tǒng)為例闡述了擺頭的幾何精度及調(diào)整補(bǔ)償過程。雙擺角銑頭的幾何精度一共有8項(xiàng)要求，包含了銑頭各軸軸線之間的空間位置關(guān)系和切削主軸自身的精度要求。從整個(gè)裝配和精度控制過程的分析可知，軸線之間的角度偏差通過機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行精度調(diào)整，且要優(yōu)先于電氣補(bǔ)償?shù)牟糠?然后進(jìn)行A軸和C軸的定位精度補(bǔ)償，軸線之間的位置偏差的電氣補(bǔ)償要放在最后來進(jìn)行，從而達(dá)到RTCP精度要求。整個(gè)幾何精度檢驗(yàn)及補(bǔ)償過程，不僅機(jī)械補(bǔ)償和電氣補(bǔ)償有嚴(yán)格的先后順序要求，各補(bǔ)償部分也有詳細(xì)的操作規(guī)范和技術(shù)要求，一切檢測程序都按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。

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