五軸數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)以及標(biāo)定技術(shù)應(yīng)用分析

摘 要：五軸數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造技術(shù)一種很關(guān)鍵的設(shè)備，在高精尖的現(xiàn)代制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但是，一些通過機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)或者加工的企業(yè)一直受到購(gòu)買的高精度機(jī)床經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的誤差的困擾，加工或者生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不能滿足精度要求。而精度檢測(cè)以及標(biāo)定技術(shù)為解決這個(gè)問題提供了一個(gè)很好的思路，目前，已經(jīng)成為了加工精度以及提高加工效率的技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床；精度檢測(cè)；標(biāo)定技術(shù)

數(shù)控機(jī)床精度的提高保證了加工質(zhì)量，而提高機(jī)床精度的主要途徑就是進(jìn)行誤差補(bǔ)償。目前，現(xiàn)代制造業(yè)的加工越來越精密化，使用先進(jìn)檢測(cè)的手段來完成超精密的加工以及精度檢測(cè)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量可以得到控制。

1 五軸數(shù)控機(jī)床引起誤差的原因

通常情況下，引起五軸數(shù)控機(jī)床誤差的因素有：

（1）五軸數(shù)控機(jī)床原始的制造誤差

數(shù)控機(jī)床原始的制造誤差就是指由于部件工作表面的形狀、質(zhì)量以及部件間位置的誤差而引起的運(yùn)動(dòng)誤差，這種誤差是產(chǎn)生數(shù)控機(jī)床的幾何誤差最主要的原因[1]。

（2）五軸數(shù)控機(jī)床由于熱變形引起的誤差

數(shù)控機(jī)床熱變形引起誤差的主要原因是數(shù)控機(jī)床內(nèi)部熱源以及環(huán)境熱的擾動(dòng)而導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。

（3）由于切削負(fù)荷導(dǎo)致的工藝系統(tǒng)誤差

工藝系統(tǒng)的誤差主要包括：機(jī)床變形導(dǎo)致的誤差、刀具變形導(dǎo)致的誤差、加工件變形導(dǎo)致的誤差以及夾具變形導(dǎo)致的誤差等。通常情況下，人們把這種誤差也稱作為讓刀。這種誤差可以導(dǎo)致加工件形狀產(chǎn)生畸變，在薄壁工件的加工時(shí)這種誤差特別明顯和嚴(yán)重[2]。

（4）五軸數(shù)控機(jī)床振動(dòng)導(dǎo)致的誤差

數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行切削加工時(shí)，因?yàn)楣に嚾嵝砸约岸嘧兊墓ば颍瑪?shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)可能進(jìn)入到不穩(wěn)定的區(qū)域，激起了強(qiáng)烈顫振，致使加工件表面的粗糙度不能滿足要求，甚至還會(huì)導(dǎo)致幾何形狀誤差的出現(xiàn)。

（5）五軸數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試誤差

檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差主要包括：因?yàn)闇y(cè)量傳感器制造誤差以及其安裝誤差而引起的反饋系統(tǒng)自身的誤差；因?yàn)闄C(jī)床零件以及機(jī)構(gòu)的誤差，或者在使用過程中的產(chǎn)生變形而致使測(cè)量傳感器產(chǎn)生的誤差。

（6）外界環(huán)境干擾而產(chǎn)生的誤差

這種誤差主要是由于環(huán)境以及運(yùn)行工況發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致隨機(jī)誤差的出現(xiàn)。

根據(jù)誤差特點(diǎn)及性質(zhì)可將上述誤差劃分為兩大類：系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)誤差。其中，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)誤差可通過離線檢測(cè)聯(lián)合開環(huán)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)來進(jìn)行修正和補(bǔ)償，確保系統(tǒng)誤差最大程度上減小，使機(jī)床的精度得到提高。而隨機(jī)誤差的隨機(jī)性很高，可通過在線檢測(cè)聯(lián)合閉環(huán)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)來對(duì)隨機(jī)誤差導(dǎo)致的影響進(jìn)行消除，不過這種方法對(duì)于測(cè)量?jī)x器以及測(cè)量環(huán)境的要求比較高，推廣難度比較高。

2 五軸數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 建立起虛擬的檢測(cè)環(huán)境

通過OpenGL的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行圖形的處理工作，而OpenGL主要是圖形硬件的一個(gè)軟件接口，進(jìn)行建模、圖形的變換等操作，對(duì)于圖形大部分的處理工作是由專門函數(shù)進(jìn)行處理的[3]。

2.2 提取檢測(cè)信息

對(duì)于在線檢測(cè)技術(shù)的仿真系統(tǒng)來說，在進(jìn)行仿真的過程中，要反映出測(cè)量的語句，也就是通過測(cè)量程序來驅(qū)動(dòng)仿真的進(jìn)程。所以，可以完整地提取出監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)了語法檢查，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了計(jì)算和判斷，特別是可以對(duì)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行提取，用來驅(qū)動(dòng)測(cè)頭的仿真。

2.3 驅(qū)動(dòng)虛擬的測(cè)頭

在線檢測(cè)技術(shù)主要是通過測(cè)頭和機(jī)床碰撞確定接觸點(diǎn)位置的信息的，所以檢測(cè)仿真就要再現(xiàn)這個(gè)過程，同時(shí)這也是仿真系統(tǒng)核心的問題。要想測(cè)頭可以可靠的撞擊機(jī)床，就要確保測(cè)的最大運(yùn)動(dòng)行程大于實(shí)際距離，也就是接觸點(diǎn)要在起始點(diǎn)和最大行程點(diǎn)之間。

3 五軸數(shù)控機(jī)床空間誤差的補(bǔ)償技術(shù)

由于五軸數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)往往都會(huì)產(chǎn)生45個(gè)左右的誤差，而21項(xiàng)誤差檢測(cè)法不能對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床誤差進(jìn)行全面的檢測(cè)，不過空間誤差的補(bǔ)償技術(shù)可以對(duì)誤差進(jìn)行持續(xù)性的檢測(cè)，確保全部誤差可以被檢測(cè)出來[4]。

對(duì)于VEC（空間誤差的補(bǔ)償技術(shù)）來說，操作簡(jiǎn)單并且精度更高。VEC進(jìn)行測(cè)量時(shí)只需要在一個(gè)坐標(biāo)系中就可以完成，只需要安裝一次檢測(cè)的儀器，就可以對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量時(shí)間很短，解決了標(biāo)定過程的時(shí)間過長(zhǎng)問題[5]。

通過VEC進(jìn)行測(cè)量時(shí)首先要建立一個(gè)VEC的機(jī)床模式，主要是用機(jī)床CAD模型來建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)誤差的模型。依據(jù)這個(gè)誤差模型就可以通過測(cè)量軟件來計(jì)算出一個(gè)最佳的測(cè)量路徑，避免進(jìn)行測(cè)量時(shí)碰到機(jī)床的結(jié)構(gòu)，使測(cè)量過程變得很簡(jiǎn)單。在實(shí)際的測(cè)量過程中，測(cè)量所需的時(shí)間在1-3小時(shí)之間，而激光跟蹤儀可以安裝在數(shù)控機(jī)床上，在機(jī)床之外安裝也可以，活動(dòng)標(biāo)靶要在機(jī)床的主軸上安裝并固定。在測(cè)量時(shí)，機(jī)床每當(dāng)運(yùn)行到新的測(cè)量點(diǎn)時(shí)就會(huì)有3分鐘左右的停頓，確保機(jī)床的休整可以完成并保持穩(wěn)定，此時(shí)，激光跟蹤儀就會(huì)對(duì)參照位置進(jìn)行多次的測(cè)量，計(jì)算出平均的測(cè)量值之后，就會(huì)對(duì)機(jī)床進(jìn)行反饋，使機(jī)床可以繼續(xù)移動(dòng)，到下一個(gè)測(cè)量位置時(shí)重復(fù)上述動(dòng)作。而整個(gè)測(cè)量過程要進(jìn)行三次機(jī)床的測(cè)量，在進(jìn)行第一次的測(cè)量時(shí)要使用稍長(zhǎng)的適配桿進(jìn)行移動(dòng)標(biāo)靶的固定，第二次測(cè)量要重復(fù)上一次的測(cè)量過程，主要是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)，最后一次的測(cè)量則使用稍短的適配桿進(jìn)行移動(dòng)標(biāo)靶的固定。當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)完成收集后，通過K倍交叉的驗(yàn)證法進(jìn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證核實(shí)工作，之后把數(shù)據(jù)上傳到數(shù)控機(jī)床的控制器上，進(jìn)行實(shí)際補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

在數(shù)控加工內(nèi)容中融入檢測(cè)技術(shù)，通過在線測(cè)量方式，確保數(shù)控機(jī)床操作者可以發(fā)現(xiàn)工件出現(xiàn)的問題，及時(shí)的反饋給系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中使用在線測(cè)量技術(shù)，不僅提高了加工效率，還使測(cè)量精度得到了提高，相對(duì)節(jié)約了成本以及創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的信息可以及時(shí)的反饋給數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，確保系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)誤差得到修正，相應(yīng)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的改變，保證了加工的質(zhì)量，并促進(jìn)了加工與測(cè)量的一體化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張宏韜.雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床誤差的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償研究[D].上海交通大學(xué)，2011.

[2]房豐洲，萬宇，朱朋哲，等.基于光學(xué)自由曲面的三維位移測(cè)量系統(tǒng)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，32（10）：934-942.

[3]萬宇.基于光學(xué)自由曲面的機(jī)床誤差建模和測(cè)量系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2013.

[4]杜麗，張信，王偉，等.“S”形試件的五軸數(shù)控機(jī)床綜合動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)特性研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，25（4）：629-635.

[5]王金棟，郭俊杰，鄧玉芬，等.應(yīng)用激光跟蹤儀的數(shù)控機(jī)床幾何精度檢測(cè)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（3）：85-90.

作者簡(jiǎn)介：潘銘（1978-）男，漢族，江蘇南京人，講師，碩士，研究方向：船機(jī)制造技術(shù)。