五軸聯(lián)動(dòng)加工中心擺軸的檢測(cè)

方明

(南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，江蘇南京210006)

1 五軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)介

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是指有五個(gè)坐標(biāo)軸(三個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)軸:X，Y，Z軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸:C，A軸)，可在計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工的數(shù)控加工設(shè)備。

通過(guò)A軸與C軸的組合，固定在工作臺(tái)上的工件除了底面之外，其余的五個(gè)面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001°，又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。

A軸和C軸如與XYZ三個(gè)直線(xiàn)軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，依靠先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持可加工出復(fù)雜的空間曲面。

常見(jiàn)的立式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，如圖1所示，一個(gè)是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸，以X軸方向?yàn)檩S心線(xiàn)，±90°來(lái)回?cái)[動(dòng)，定義為擺軸，也稱(chēng)A軸;一個(gè)就是設(shè)置工作臺(tái)的中間的回轉(zhuǎn)臺(tái)，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸方向360°回轉(zhuǎn)，定義為C軸。

圖1 常見(jiàn)的立式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心示意圖

加工中心XYZ以及C軸的精度檢測(cè)，技術(shù)手段現(xiàn)在已經(jīng)很成熟。XYZ三個(gè)直線(xiàn)軸一般是采用雙頻激光干涉儀作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，回轉(zhuǎn)C軸用雙頻激光干涉儀以及配套的回轉(zhuǎn)分度器檢測(cè)，或者用傳統(tǒng)的正多面棱體配上自準(zhǔn)直儀進(jìn)行角分度檢測(cè)，這里不再詳述。

而對(duì)于A軸，同樣是角分度檢測(cè)，也可用雙頻激光干涉儀回轉(zhuǎn)分度器或者是正多面棱體和自準(zhǔn)直儀作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。但是如果是照搬全套C軸的檢測(cè)方法，將無(wú)法在全行程內(nèi)完成測(cè)量，因?yàn)殡S著A軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)將遮擋測(cè)量光路，無(wú)法繼續(xù)檢測(cè)，只能檢測(cè)到部分角度，也就不能判斷A軸整個(gè)行程范圍的精度。

2 擺軸(A軸)全行程檢測(cè)時(shí)測(cè)量光路的設(shè)計(jì)

本文以檢測(cè)德國(guó)HERMLE五軸加工中心的A軸為例，提出一種全面有效的測(cè)量方案。哈默五軸中的A軸其擺動(dòng)范圍在-90°～+90°之間(如圖2～圖5)，這也是世上最大行程的擺軸。

在-90°～+30°行程內(nèi)可按C軸的檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)。但隨著A軸繞軸心線(xiàn)的繼續(xù)擺動(dòng)，當(dāng)被檢設(shè)備運(yùn)行至+30°～+90°區(qū)間時(shí)，逐漸翻起的工作臺(tái)擋住了正對(duì)著棱體的自準(zhǔn)直儀的測(cè)量光軸(如圖4所示)，儀器無(wú)法讀數(shù)測(cè)量，檢測(cè)中斷。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)最終選用如圖2的檢測(cè)方案。

基本原理就是采用升高準(zhǔn)直儀對(duì)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)角反射鏡，通過(guò)可轉(zhuǎn)角反射鏡的90°光路轉(zhuǎn)向，避免了由于加工中心工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)而遮擋住測(cè)量光路，相當(dāng)于從空中俯視瞄準(zhǔn)正多面棱體進(jìn)行測(cè)量。

方案采用0.5″雙軸精密自準(zhǔn)直儀和正24面棱體作為測(cè)量主標(biāo)準(zhǔn)。激光干涉儀作為自準(zhǔn)直儀快速找像的配套設(shè)備。同時(shí)為了自準(zhǔn)直儀在整個(gè)測(cè)量讀數(shù)過(guò)程中更穩(wěn)定可靠，推薦選擇主機(jī)較大，三腳架比較敦實(shí)穩(wěn)固的ML10型激光干涉儀。

圖2 A軸-90°時(shí)，工作臺(tái)垂直于水平面

圖3 A軸0°時(shí)，工作臺(tái)平行于水平面

圖4 A軸+45°時(shí)，工作臺(tái)面對(duì)于水平面成45°

圖5 A軸+90°時(shí)，工作臺(tái)反過(guò)來(lái)垂直于地面

3 擺軸(A軸)全行程檢測(cè)時(shí)測(cè)量光路的快速找正調(diào)整

與傳統(tǒng)的C軸檢測(cè)相比，上述A軸的檢測(cè)方案中自準(zhǔn)直儀離正多面棱體較遠(yuǎn)，且轉(zhuǎn)了90°，相比檢測(cè)C軸而言找遠(yuǎn)距離直角反射回的光比較困難。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與改進(jìn)，探索出一種快速找光方法。具體檢測(cè)工作及光路找正調(diào)整步驟如下:

1)取下加工中心A軸軸心上的密封蓋，安裝事先加工好的特制夾具。轉(zhuǎn)動(dòng)A軸，用打表法調(diào)整特制夾具的偏心量至0.02 mm內(nèi)。安裝正24面棱體，使0°測(cè)量面朝上。如圖1所示。

2)把轉(zhuǎn)角反射鏡利用磁性表座吸附在機(jī)床主軸上(圖6)。

圖6 轉(zhuǎn)角反射鏡利用磁性表座吸附在機(jī)床主軸示意圖

3)把自準(zhǔn)直儀放置在激光干涉儀上，調(diào)整激光干涉儀大致水平，并使激光束瞄準(zhǔn)可轉(zhuǎn)角反射鏡。慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)并左右調(diào)整可轉(zhuǎn)角反射鏡，同時(shí)調(diào)整激光干涉儀主機(jī)俯仰和左右和高低位置，使激光束經(jīng)過(guò)正多面棱體測(cè)量面反射回的光，入射回激光干涉儀的反射孔。如圖5所示。此步驟的目的是使平行擺放于激光干涉儀上自準(zhǔn)直儀的測(cè)量光軸平行于激光束。

4)卷尺測(cè)量出激光干涉儀出光孔與自準(zhǔn)直儀物鏡中心的大致距離D(約130 mm)。慢慢降低激光干涉儀三腳架工作臺(tái)約D距離，使自準(zhǔn)直儀物鏡中心(即自準(zhǔn)直儀光軸中心)降至激光干涉儀出光孔剛才所在位置。

5)左右微動(dòng)自準(zhǔn)直儀即能看到通過(guò)可轉(zhuǎn)角反射鏡和正多面棱體測(cè)量面反射回的飛機(jī)像。

6)最后通過(guò)微動(dòng)調(diào)整激光三腳架左右平移和高低升降位置，自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)中的反射飛機(jī)像最亮，即可進(jìn)行檢測(cè)。

4 擺軸(A軸)全行程精度檢測(cè)方法

正確調(diào)整完A軸的檢測(cè)光路后，就可以對(duì)A軸進(jìn)行精度檢測(cè)了。

首先按客戶(hù)要求選擇檢測(cè)依據(jù)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，如最常用的VDI/DGQ3441德國(guó)機(jī)床行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);GB/T 17421.2-2000機(jī)床檢驗(yàn)通則-第2部分:數(shù)控軸線(xiàn)的定位精度和重復(fù)定位精度的確定［1］;ISO 230-2-2014機(jī)床試驗(yàn)規(guī)則-第2部分:數(shù)字控制坐標(biāo)定位精度和重復(fù)性的測(cè)定等等［2-3］。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)內(nèi)找到通過(guò)正多面棱體反射回的飛機(jī)像后，壓線(xiàn)讀數(shù)，每隔15°，從-90°檢測(cè)到+90°。整個(gè)行程來(lái)回測(cè)量5遍即可。

首次檢測(cè)完成后，依據(jù)VDI/DGQ3441德國(guó)機(jī)床行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，得到A軸的定位精度:8.7″，重復(fù)精度:1.5″，反向量差:0.6″。定位精度略微偏大，就要對(duì)精度進(jìn)行補(bǔ)償。

眾所周知，不同加工中心有不同的控制系統(tǒng)，最常用的有三種:日本的Fanuc系統(tǒng)，德國(guó)的Siemens系統(tǒng)和德國(guó)HEIDENHAIN系統(tǒng)。普通加工中心一般采用日本的Fanuc、德國(guó)的Siemens系統(tǒng)，其精度補(bǔ)償也很普遍，高端進(jìn)口的加工中心大都用HEIDENHAIN系統(tǒng)。

這里本次檢測(cè)HERMLE加工中心的A軸為例，其精度補(bǔ)償需進(jìn)入控制系統(tǒng)PLC，找到A軸的補(bǔ)償文件aachse，輸入經(jīng)計(jì)算后得到的(螺距)補(bǔ)償值，如表1所示。

表1 螺距誤差補(bǔ)償值表

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于A軸的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以往只能檢測(cè)部分行程或者干脆不測(cè)。也有采用其他測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)的方法，但讀數(shù)困難，檢測(cè)效率低。采用上述檢測(cè)方案后測(cè)量效率顯著提高，測(cè)量不確定度也符合機(jī)床檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。而且激光干涉儀在檢完直線(xiàn)軸和C軸后不用撤離現(xiàn)場(chǎng)，直接放上自準(zhǔn)直儀并在主軸上吸上轉(zhuǎn)向反射鏡后即可開(kāi)展檢測(cè)。唯一不足的是，不同型號(hào)的加工中心事先需要加工不同的特制夾具。

另外，我們可用激光干涉儀XR20-W無(wú)限回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置配合運(yùn)用此方案進(jìn)行檢測(cè)，這里不再敘述。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 17421.2-2000機(jī)床檢驗(yàn)通則-第2部分:數(shù)控軸線(xiàn)的定位精度和重復(fù)定位精度的確定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［2］國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織.ISO 230-2-2014機(jī)床試驗(yàn)規(guī)則-第2部分:數(shù)字控制坐標(biāo)定位精度和重復(fù)性的測(cè)定［S］.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 739-2005中華人民共和國(guó)激光干涉儀檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2005.