五軸數控機床回轉中心的幾何誤差檢測與補償

1 引言

五軸數控機床是裝備制造業(yè)重要的一種加工設備，可用于加工各種復雜曲面，隨著(zhù)對工件加工質(zhì)量要求的不斷提高，如何提高五軸數控機床加工精度問(wèn)題成為熱點(diǎn)。

機床自身的制造和裝配誤差，影響著(zhù)機床的幾何精度，同時(shí)，對于五軸數控機床而言，誤差造成回轉軸心不重合，降低了五軸聯(lián)動(dòng)精度，不能夠得到理想的零件加工精度。幾何誤差補償的方法是在不改變數控機床結構和控制系統的機床上，通過(guò)對機床運動(dòng)誤差源分析、建立數學(xué)模型和計算，將機床的空間定位誤差實(shí)時(shí)地反饋到控制系統，實(shí)現誤差的修正，從而提高五軸數控機床的加工精度。

轉擺臺式五軸數控機床，直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心與兩旋轉軸軸心位置的不重合幾何誤差，制約著(zhù)五軸數控機床加工精度。為解決此問(wèn)題，本文提出以下方案：圍繞回轉中心，建立五軸數控機床聯(lián)動(dòng)軌跡模型，設計幾何誤差檢測方案；分析列表實(shí)際檢測誤差數據；通過(guò)對機床機械系統運動(dòng)誤差的計算，將空間定位誤差實(shí)時(shí)地反饋到控制系統，實(shí)現誤差修正。通過(guò)對沈陽(yáng)機床某轉擺臺式五軸數控機床進(jìn)行實(shí)例研究，驗證此方法有效。

2  轉擺臺式五軸數控機床結構建模

如圖1 所示為轉擺臺式五軸數控機床結構示意圖。直線(xiàn)軸X、Y、Z 聯(lián)動(dòng)回轉中心矢量位置由加工中心數控系統按照加工中心結構參數進(jìn)行插補計算得到。當A 軸回轉中心、C 軸回轉中心、直線(xiàn)軸X、Y、Z 聯(lián)動(dòng)回轉中心不重合幾何誤差偏大時(shí)，五軸數控機床加工精度就會(huì )降低。因此，做到三中心重合或偏差小，成為了提高五軸機床聯(lián)動(dòng)精度的必要手段。

3 幾何誤差檢測方法設計

（1）檢測球頭檢棒長(cháng)度補償值，半徑補償值；

（2）測量A 軸回轉中心與C 軸回轉中心在Y 方向上的誤差；

（3）測量工作臺臺面與A 軸回轉中心在Z 方向上誤差；

（4）確定將要檢測的旋轉軸（A 軸或C 軸），將千分表擺放在插補圓內，并將表針壓在球頭檢棒高點(diǎn)位置；

（5）X、Y、C 軸做大圓聯(lián)動(dòng)，觀(guān)測并記錄X、Y 兩個(gè)方向隨著(zhù)C 軸角度變化時(shí)，千分表讀數變化；

（6）計算出直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心與C 軸軸心在X/Y平面上的誤差；

（7）Y、Z、A 軸做大圓聯(lián)動(dòng)，觀(guān)測并記錄Y、Z 兩個(gè)方向隨著(zhù)A 軸角度變化時(shí)，千分表讀數變化；

（8）計算出直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心與A 軸軸心在Y/Z平面上的誤差。

4 測量原理

以只考慮直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心與C 軸回轉中心在X、Y 方向上誤差為例。如圖2 所示，數控機床X、Y、C 軸在X/Y 平面內，做大圓聯(lián)動(dòng)，通過(guò)千分表的變化來(lái)進(jìn)行誤差分析。如圖3 所示，X、Y 插補軌跡與理想軌跡之間的誤差是由于直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心O2 與C 軸回轉中心O 在X/Y 方向上誤差a/b造成。因此通過(guò)對千分表變化值的分析，計算出a/b 值，進(jìn)入數控系統進(jìn)行誤差補償，以減小X、Y插補軌跡與理想軌跡之間的誤差。

5 誤差補償參數算法描述

以只考慮直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心O2 與C軸回轉中心O 在X、Y方向上誤差為例。設C 軸回轉軸軸心O 在X/Y 平面內坐標為（0，0），直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心O2 坐標為（b，a），千分表讀數變化值為k。數控機床X、Y、C 軸在X/Y 平面內，做大圓聯(lián)動(dòng)，旋轉角度為θ。

b=k·sinθ                                              （1）

a=k·cosθ                                              （2）

6 HEIDENHAIN ITNC530 數控系統結構參數修正。

經(jīng)過(guò)誤差檢測與計算，得出修正參數a、b、c、d，補償到數控系統中。

7 實(shí)例應用

基于以上分析，將該方法應用于沈陽(yáng)機床某轉擺臺式五軸數控機床進(jìn)行誤差補償，該機床加工精度得到了大幅度提高。

以只考慮直線(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)回轉中心O2與C 軸回轉中心O 在X、Y 方向上誤差為例。如表3 所示，通過(guò)此方法對該機床進(jìn)行誤差補償后，提高了機床聯(lián)動(dòng)精度。

8 結語(yǔ)

轉擺臺式五軸數控機床中心不重合幾何誤差，需要建立誤差綜合模型，進(jìn)行多次檢測與補償，才可達到理想的幾何精度，以提高機床加工精度。

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