五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差辨識(shí)與優(yōu)化改善

陳遠(yuǎn)芳

摘 要：五軸數(shù)控機(jī)床在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)迅速發(fā)展的過(guò)程中，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。但由于箱體結(jié)構(gòu)件加工誤差和裝配累計(jì)誤差的影響，使得在機(jī)床加工過(guò)程中產(chǎn)生偏差，造成加工誤差。深入分析機(jī)床運(yùn)動(dòng)的傳遞規(guī)律，判斷機(jī)床運(yùn)動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)負(fù)誤差傳遞矩陣，建立了機(jī)床移動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)了誤差檢測(cè)。針對(duì)目前旋轉(zhuǎn)軸誤差判別法提出了改進(jìn)方案，增加了球桿儀測(cè)量次數(shù)，有效地迭代了激光干涉儀的檢測(cè)范圍，提高了整個(gè)檢定工作的效率，保證了動(dòng)態(tài)精度誤差補(bǔ)償?shù)目尚行浴?/p>

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床;旋轉(zhuǎn)軸;幾何誤差辨識(shí);優(yōu)化改善

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，不同行業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也不盡相同。機(jī)床多軸、高精度發(fā)展的過(guò)程中，機(jī)床誤差引起的問(wèn)題也是十分普遍的，因此在新時(shí)期對(duì)機(jī)床誤差進(jìn)行有效控制是十分必要的，通過(guò)采用誤差預(yù)防方法或采用誤差補(bǔ)償方法，可以加強(qiáng)機(jī)床加工誤差的有效控制與管理，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)工業(yè)加工行業(yè)的發(fā)展提供了重要保障。五軸數(shù)控機(jī)床主要有移動(dòng)軸、旋轉(zhuǎn)軸、車體等，要建立五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差模型，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以全面優(yōu)化機(jī)床誤差控制。

1 五軸加工中心回轉(zhuǎn)軸幾何誤差的檢測(cè)。

1.1幾何錯(cuò)誤量

通過(guò)對(duì)五軸龍門加工中心整體結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸工作時(shí)，內(nèi)外因素共同作用，極易偏離理想軸線，引發(fā)誤差。加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)，需沿所給方向法向行走，而運(yùn)動(dòng)件的加工誤差及安裝誤差將導(dǎo)致導(dǎo)軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)偏離所要求的軸線而引起角度偏差。

1.2回轉(zhuǎn)軸線和幾何誤差

加工機(jī)械的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)。在機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí)，由于工件的裝配誤差產(chǎn)生軸向竄動(dòng)誤差，影響到機(jī)床的受力變形和接觸表面的摩擦力等，使機(jī)床的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)路線偏離理想的軸線，產(chǎn)生多種幾何誤差。

1.3安裝誤差

五軸數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸的安裝受限箱體與中心軸加工精度影響，在裝配時(shí)同軸度要求0.02mm，精度要求較高人工裝配難以達(dá)到。且需要通過(guò)曲臂原則將同軸的高點(diǎn)調(diào)到同一個(gè)方向，以此降低安裝誤差。

2 旋轉(zhuǎn)軸誤差補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床

2.1補(bǔ)償轉(zhuǎn)軸誤差

其中誤差補(bǔ)償主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)，首先建立誤差補(bǔ)償模型，然后根據(jù)測(cè)量?jī)x器測(cè)量的誤差值進(jìn)行檢測(cè)，最后對(duì)誤差結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，通常采用的補(bǔ)償方法有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。在補(bǔ)償過(guò)程中，硬件補(bǔ)償主要是通過(guò)減小刀具、工件位置誤差或采用機(jī)械方式來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，該補(bǔ)償方法操作復(fù)雜，整體效率低，補(bǔ)償結(jié)果難以保證。通過(guò)軟件補(bǔ)償，可直接改變NC程序，快速補(bǔ)償?shù)毒咔邢鼽c(diǎn)和加工中心的位置，操作簡(jiǎn)單、效率高，能對(duì)誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確處理，達(dá)到精確效果。當(dāng)前在工件及刀具相對(duì)位置加工時(shí)，各軸的實(shí)際數(shù)值和理想值有明顯的偏差，機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)合誤差也屬于靜態(tài)誤差，通過(guò)改變NC程序，可使刀具與工件之間的誤差補(bǔ)償有效地消除機(jī)械加工中的誤差。在實(shí)驗(yàn)室中所用機(jī)床建立起轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并通過(guò)誤差補(bǔ)償對(duì)不同的動(dòng)軸和轉(zhuǎn)軸輸入補(bǔ)償值，快速地調(diào)整刀尖位置和姿態(tài)，方便數(shù)控編程時(shí)以工件坐標(biāo)為導(dǎo)向，用轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)表示工件坐標(biāo)變量。而且在刀具處于理想位置時(shí)，各種誤差因素都會(huì)導(dǎo)致刀尖偏離理想位置，此時(shí)刀尖處會(huì)產(chǎn)生較大的加工誤差。所以要采用先補(bǔ)償方向矢量，再補(bǔ)償位置矢量的方法來(lái)全面更新補(bǔ)償方法。刀具方向矢量需要在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行調(diào)整，并將方向矢量補(bǔ)償后的刀具向理想狀態(tài)移動(dòng)。

2.2旋轉(zhuǎn)軸誤差補(bǔ)償

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償中，各坐標(biāo)系誤差的補(bǔ)償效果最好，但在實(shí)際加工中，各坐標(biāo)系之間仍存在著偏差，因此使得實(shí)際的誤差補(bǔ)償十分復(fù)雜。本文提出了一種基于最小誤差假設(shè)的矢量補(bǔ)償方案，該方案將機(jī)床誤差模型引入矢量方向量，得到實(shí)際方向矢量。依據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系，求出動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)及主軸誤差。利用坐標(biāo)變換對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)、旋轉(zhuǎn)負(fù)誤差傳遞矩陣進(jìn)行分析，建立了能充分考慮球感長(zhǎng)度機(jī)床進(jìn)給速率中心的誤差補(bǔ)償模型。利用機(jī)床檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)C軸旋轉(zhuǎn)中心位置，可以顯著提高測(cè)量精度，改善安裝的準(zhǔn)確性和通用性。

3 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床優(yōu)化改造策略

3.1改進(jìn)加工設(shè)備

為有效地解決五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差問(wèn)題，需要對(duì)機(jī)電進(jìn)行綜合優(yōu)化，并結(jié)合國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品精度允許差差的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于機(jī)床精度檢測(cè)的關(guān)鍵項(xiàng)目，還存在著與國(guó)際先進(jìn)水平有明顯的偏差，而機(jī)械精度與控制系統(tǒng)沒(méi)有直接的關(guān)系，且機(jī)械本身精度不高，任何先進(jìn)的檢測(cè)控制系統(tǒng)都不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，因此對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床連接件的缺陷進(jìn)行全面優(yōu)化，以提高機(jī)床的整體精度，通過(guò)對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床連接件進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)床的整體精度。由于在現(xiàn)有的工裝夾具中還存在著很多問(wèn)題，所以需要對(duì)絲杠、直線導(dǎo)軌、拖板等適配型新型工裝進(jìn)行再制造。

3.2機(jī)械加工裝配工藝優(yōu)化

立式五軸加工中心的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)都是安裝在工作臺(tái)上，一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸圍繞著X軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們定義為A旋轉(zhuǎn)軸，A軸的工作范圍在+30度至-120度。在A旋轉(zhuǎn)軸中間設(shè)置了一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，從圖上可以看出這個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)是圍繞著Z軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們定義為C旋轉(zhuǎn)軸，C旋轉(zhuǎn)軸的工作范圍在360度回轉(zhuǎn)。A軸和C軸組合的立式五軸加工中心一次對(duì)工件夾裝可完成除了安裝面以外的其它面加工，A旋轉(zhuǎn)軸和C旋轉(zhuǎn)軸最小分度值為0.001度，這樣可以加工任意一個(gè)角，簡(jiǎn)單說(shuō)加工面沒(méi)有一個(gè)死角，主軸可以加工到每一個(gè)角度，安裝面除外，加工出斜面、斜孔完全沒(méi)有問(wèn)題。立式五軸加工中心兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在工作臺(tái)上的優(yōu)缺點(diǎn)此類立式五軸加工中心的優(yōu)點(diǎn)就是A旋轉(zhuǎn)軸和C旋轉(zhuǎn)軸與三個(gè)直線軸可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，可以加工復(fù)雜空間曲面，當(dāng)然這還要數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和軟件的支持。這種兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主軸剛性好、制造成本比較低。而缺點(diǎn)是工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大、工作臺(tái)承重能力小，特別是當(dāng)A旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)的度數(shù)大于或等于90度是時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來(lái)很大的承載力矩。

3.3性能更高的轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用和優(yōu)化

五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的精度優(yōu)化控制，由于其剛性控制精度和穩(wěn)定性都較差，且控制回轉(zhuǎn)臺(tái)的PLC邏輯控制不合理，極易導(dǎo)致通信故障引起機(jī)床的過(guò)載報(bào)警等問(wèn)題，因此應(yīng)選擇高性能回轉(zhuǎn)臺(tái)，既能滿足剛性要求，又能對(duì)PLC控制邏輯進(jìn)行綜合優(yōu)化。另外要針對(duì)電器柜的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的優(yōu)化，盡量把強(qiáng)、弱電分開(kāi)，減少電磁干擾等問(wèn)題，還需要對(duì)電器柜的圖紙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，方便機(jī)床符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。電氣柜體結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需將星轉(zhuǎn)角接觸器由三個(gè)減為兩個(gè)，節(jié)省了電器元件及生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，并將繼電器改為繼電器模塊，減少了占用空間，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展背景下，有許多領(lǐng)域都需要通過(guò)模具進(jìn)行生產(chǎn)制造，因?yàn)椴煌纳a(chǎn)產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)。要想實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，就必須利用模具進(jìn)行快速制造，對(duì)于模具的質(zhì)量要求也在不斷增加。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)軸的配合誤差是十分普遍的，用球桿代替激光干涉儀來(lái)測(cè)量中心轉(zhuǎn)軸的誤差，可以迅速消除。為了構(gòu)建機(jī)床幾何誤差模型，提高測(cè)量精度，加強(qiáng)誤差補(bǔ)償?shù)恼w效果，通過(guò)誤差補(bǔ)償可以提高機(jī)床的加工精度，改善前期設(shè)計(jì)和制造安裝的整體效果，從源頭上加強(qiáng)我國(guó)數(shù)控設(shè)備性能與國(guó)際接軌。

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（上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201108）