木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試與分析*

王雙永 張 偉② 張鵬飛

(①國(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京 100029;②中國(guó)林科院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

在木材加工中，加工中心一般采用三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床配備雙擺角銑頭實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，可對(duì)工件定位面以外的其他五個(gè)面進(jìn)行連續(xù)無(wú)死角加工，可加工出各式各樣的曲面造型［1］。常用的木工雙擺角銑頭包括A軸和C 軸兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，具有輕載、高速、體積較小、動(dòng)作敏捷等特點(diǎn)，其擺角范圍相對(duì)較大。而木工雙擺角銑頭的回轉(zhuǎn)精度是影響加工精度的關(guān)鍵因素，因此，對(duì)木工雙擺角銑頭回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行測(cè)試，分析誤差規(guī)律，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行有效補(bǔ)償，對(duì)提高雙擺角銑頭的加工精度具有重要意義。

回轉(zhuǎn)精度主要包括定位精度和重復(fù)定位精度，定位精度指實(shí)際位置與理想位置的一致程度，對(duì)應(yīng)的不一致量稱為定位誤差;重復(fù)定位精度是指在保持相同條件和操作方法的情況下，進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的操作所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度［2］。本文以木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)精度為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)試C 軸回轉(zhuǎn)定位誤差和重復(fù)定位誤差，分析誤差規(guī)律，提供誤差補(bǔ)償方案，為提高C 軸回轉(zhuǎn)精度提供依據(jù)。

1 木工雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)和原理

木工雙擺角銑頭主要由C 軸傳動(dòng)鏈、A 軸傳動(dòng)鏈、殼體支撐和主軸四大部分構(gòu)成，如圖1 所示。C 軸傳動(dòng)鏈主要包括C 軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)帶輪、同步齒形帶、從動(dòng)帶輪、減速器和C 軸旋轉(zhuǎn)臂等，還包括位置編碼器和行程限位開(kāi)關(guān)。C 軸回轉(zhuǎn)以自身固定法蘭為基準(zhǔn)，輸出帶動(dòng)殼體支撐、A 軸傳動(dòng)鏈和主軸一起繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。具體傳動(dòng)過(guò)程為:C 軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，通過(guò)同步帶傳動(dòng)輸送給減速器，降低轉(zhuǎn)速增大扭矩，通過(guò)C 軸旋轉(zhuǎn)臂傳遞給殼體支撐及主軸，并通過(guò)位置編碼器進(jìn)行位置反饋，行程限位開(kāi)關(guān)對(duì)雙擺角銑頭機(jī)械結(jié)構(gòu)提供安全保障。A 軸傳動(dòng)鏈主要包括A 軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)帶輪、同步齒形帶、從動(dòng)帶輪、減速器和主軸連接板，也包括位置編碼器和行程限位開(kāi)關(guān)。由于A 軸傳動(dòng)鏈全部安裝在殼體支撐內(nèi)，所以A 軸回轉(zhuǎn)以殼體支撐為基準(zhǔn)，帶動(dòng)主軸繞X 軸擺動(dòng)。具體傳動(dòng)過(guò)程與C 軸類似，最終將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給固定在連接板上的主軸，主軸通過(guò)刀柄連接刀具高速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切削加工。因此，C 軸回轉(zhuǎn)精度直接影響木工雙擺角銑頭整體的加工精度。

2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)工具

傳統(tǒng)的測(cè)量方法多數(shù)采用多面體和自準(zhǔn)直儀，通過(guò)測(cè)量直線度和垂直度等間接得出回轉(zhuǎn)精度，測(cè)量精度不高。本實(shí)驗(yàn)采用具有專門(mén)回轉(zhuǎn)測(cè)量功能的Renishaw 激光干涉儀，主要包括ML10 激光頭、角度干涉鏡、激光準(zhǔn)直輔助鏡、角度反射鏡、RX10 回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)分度器、RX10 控制器、EC10 環(huán)境補(bǔ)償單元、計(jì)算機(jī)等［3］。實(shí)驗(yàn)中，將角度反射鏡固定在RX10 回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)分度器上，通過(guò)過(guò)渡法蘭與木工雙擺角銑頭主軸錐孔連接，保證RX10 與主軸軸線同軸度不超過(guò)0.5 mm，安裝方式如圖2 所示。RX10 回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)分度器是激光干涉儀中用來(lái)直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)精度的專用關(guān)鍵組件，具有自準(zhǔn)直和自動(dòng)定位功能，測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單。RX10 最小分度值為5°，即可以旋轉(zhuǎn)并鎖定到0°～360°范圍內(nèi)的72 個(gè)位置中的任意一個(gè)，包括一個(gè)可自動(dòng)控制的高精密齒盤(pán)，向下鎖定時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)±1"的角度定位精度。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)主軸繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，RX10 高精密齒盤(pán)向上抬起2.5mm，沿C 軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的反向，以每5°為一節(jié)回轉(zhuǎn)到C 軸所轉(zhuǎn)動(dòng)的基準(zhǔn)位置上，使角度反射鏡回到初始位置，通過(guò)測(cè)量?jī)纱畏瓷涔馐钠钣?jì)算C 軸回轉(zhuǎn)誤差。由于環(huán)境溫濕度對(duì)回轉(zhuǎn)精度測(cè)量影響很小，而且EC10 環(huán)境補(bǔ)償單元可以對(duì)溫濕度變化進(jìn)行補(bǔ)償，所以該實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境溫濕度要求不高，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可滿足實(shí)驗(yàn)條件。

激光干涉儀基本測(cè)量原理如圖3 所示，ML10 激光頭發(fā)出的激光束通過(guò)角度干涉鏡分成兩束平行光束(參考光束和測(cè)量光束)進(jìn)入角度反射鏡，再通過(guò)干涉鏡合并成一束光束返回激光頭，回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度產(chǎn)生的偏差引起角度反射鏡微小轉(zhuǎn)動(dòng)，使返回光束形成干涉條紋，激光干涉儀檢測(cè)干涉條紋的變化并通過(guò)軟件計(jì)算出回轉(zhuǎn)軸的定位誤差，多次重復(fù)測(cè)量可得回轉(zhuǎn)軸的重復(fù)定位誤差。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

校準(zhǔn):將木工雙擺角銑頭移到起始位置(原點(diǎn))，保證C 軸軸線與主軸軸線重合，A 軸軸線與主軸軸線垂直并相交。在回轉(zhuǎn)軸上準(zhǔn)直RX10(確保偏心E ＜0.5mm)，在鎖定和解鎖RX10 時(shí)檢查激光光束準(zhǔn)直，校準(zhǔn)光學(xué)鏡設(shè)定，保證激光強(qiáng)度基本滿格。調(diào)試校準(zhǔn)過(guò)程:調(diào)整ML10 激光頭與角度反射鏡，保證反射光束處于光靶中心;角度折射鏡靠近角度反射鏡調(diào)整，將測(cè)量光束與參考光束盡量重合并處于光靶中心;微調(diào)激光準(zhǔn)直輔助鏡，將光斑朝著RX10 上升的反向偏移，使激光強(qiáng)度處于1/2 偏上兩格并保持相對(duì)穩(wěn)定;分度器順時(shí)針或逆時(shí)針定位，開(kāi)始校準(zhǔn)循環(huán)(共8 次)，如圖4所示，最后得出合理的角度偏差和角度因子。

測(cè)試過(guò)程:參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［4-7］，測(cè)試目標(biāo)點(diǎn)取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°共7 個(gè)位置，選擇自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。通過(guò)木工雙擺角銑頭控制系統(tǒng)設(shè)定，保持A 軸固定，即A 軸傳動(dòng)鏈、主殼體支撐和主軸保持相對(duì)固定，整體作為C 軸回轉(zhuǎn)輸出端?？刂艭 軸從原點(diǎn)開(kāi)始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)30°停頓10 s，以便測(cè)試軟件采集數(shù)據(jù)，0°和180°回程測(cè)量時(shí)采取C 軸連續(xù)換向轉(zhuǎn)動(dòng)，即C 軸從180°位置正向轉(zhuǎn)到190°繼續(xù)反向轉(zhuǎn)到180°停頓。相同條件下再重復(fù)以上過(guò)程4 次，由測(cè)試軟件記錄目標(biāo)位置的偏差值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式算出每一目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的均位偏差、重復(fù)精度、反向差值等結(jié)果，如表1 所示。測(cè)試軟件具備數(shù)據(jù)分析功能，分析依據(jù)選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17421.2 -2000，即可獲得木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試結(jié)果的分析曲線，并且可直接計(jì)算出C 軸回轉(zhuǎn)軸線雙向定位精度、單向重復(fù)定位精度、反向差值、平均雙向位置偏差范圍和雙向定位系統(tǒng)偏差，分析曲線及計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

3 分析與結(jié)論

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28388.1—2012 給出的參考公差，木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)雙向定位精度A=24.86" ＞24"，單向重復(fù)定位精度R↑和R↓分別為6.79"和7.13"，均小于8"，反向差值B=14.66" ＞12"，平均雙向位置偏差范圍M=6.62" ＜12"，說(shuō)明該木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)精度還有待進(jìn)一步提高。

表1 C 軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試結(jié)果

由圖5 分析曲線可知，銑頭從0°到180°正向轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，定位誤差基本均為負(fù)值，反向回程的定位誤差大部分為正值，可能是因?yàn)镃 軸傳動(dòng)鏈零部件制造與安裝精度不高產(chǎn)生的反向間隙，或者同步齒形帶安裝松弛造成微量打滑。單向定位誤差的絕對(duì)值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，可能是由誤差累積引起的結(jié)果。目標(biāo)位置為150°時(shí)的定位誤差及反向差值最大，需要重點(diǎn)采取有效措施提高該位置的回轉(zhuǎn)精度。此外，控制系統(tǒng)也可能是影響木工雙擺角銑頭回轉(zhuǎn)精度的主要因素。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單易行，同樣適用于雙擺角銑頭A 軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，設(shè)定控制系統(tǒng)的誤差有效補(bǔ)償，可進(jìn)一步提高木工雙擺角銑頭C 軸回轉(zhuǎn)精度，對(duì)提高加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量具有重要意義。

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