一種基于RTCP功能的五坐標動態(tài)精度檢測工具

張 云

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610092）

目前五軸加工數(shù)控機床已經在機械加工行業(yè)得到了廣泛使用，五坐標機床的機床精度在使用中逐漸惡化，如何判斷五坐標機床的加工精度是否滿足加工要求是國內外一直探討的熱議話題。利用RTCP（繞刀具中心旋轉）功能檢測五坐標機床動態(tài)精度，可以準確地判斷機床五軸聯(lián)動動態(tài)精度的誤差，了解機床的精度狀態(tài)。

RTCP功能檢測主要是針對有五軸聯(lián)動的五坐標機床。利用五軸聯(lián)動時以球心為中點，五坐標聯(lián)動，模擬加工工件時的坐標變換，通過測得的偏移誤差值來計算各軸的誤差精度，并可以對其進行參數(shù)補償，是很有效的一種動態(tài)精度檢測方法。但是長期以來，對球頭動態(tài)誤差補償一直使用老式的操作手段，需要耗費相當多的時間與精力。

1 現(xiàn)有動態(tài)精度檢測手段

1.1 RTCP動態(tài)精度檢測

在五坐標加工中，一個或多個轉動坐標的運動會引起刀具中心的位移，RTCP功能能使系統(tǒng)自動對旋轉軸的運動進行補償［1］，以確保刀具中心點在插補過程中始終處在編程軌跡上。

現(xiàn)在進行的RTCP動態(tài)精度檢測用的是千分表在X、Y、Z三個坐標方向分別架設千分表，在機床主軸上安裝球頭刀具，然后找準球頭的最大點作為標準位置，手動編制程序，運行五坐標聯(lián)動，模擬機床在加工工件時的坐標轉換，可以逐一檢測各個坐標方向的偏差值。如圖1所示，球頭動態(tài)精度檢測必須在3個坐標方向找到準確位置，轉動第4軸和第5軸聯(lián)動，檢查機床動態(tài)精度變化，獲得誤差值可以確定機床狀態(tài)。

該檢測必須要求機床具有五軸聯(lián)動功能，CNC系統(tǒng)將會自動對控制點進行實時線性補償，從而可以確保刀具中心點位于編程軌跡上［2］。同時，以CNC系統(tǒng)插補步長來逼近輪廓，還可獲得最大逼近精度，將非線性誤差減至最小，從而提高加工精度和質量。

1.2 試切件加工檢測方法

美國NAS（國家航宇標準）在20年前就制訂了標準化的“圓形－菱形－方形”試驗。實施時，要準備鑄鐵或鋁合金試件、銑刀及編制數(shù)控切削程序。用高精度圓度儀及高精度三坐標測量機檢驗試件精度。該方法需要仔細定義試件的切削方法和測量切削結果。

成都飛機工業(yè)集研究出的一種“S形試切件”技術（如圖2所示），能通過S形曲面的試切準確地驗證出機床實時動態(tài)精度。此方法需要設定程序，試切料，以及高精度檢測儀，對機床實時動態(tài)精度有準確的驗證，成為國內外先進數(shù)控機床驗收時檢測精度之一。

2 兩種檢測方式的介紹

五軸聯(lián)動加工中心的機械機構形式多種多樣，但是大致可以分成下面3種形式［3］:一是兩個轉動坐標直接控制刀具軸線的方向（雙擺頭結構）;二是兩個轉動坐標直接控制工件的旋轉（雙轉臺結構）;三是兩個轉動坐標一個作用在刀具上，一個作用在工件上（擺頭、轉臺結構）。

在實際加工時，也只有當?shù)缎狞c在各離散段內的運動軌跡為直線時才能有效保證編程時的精度要求。但對于空間復雜曲面的五坐標加工來說，由于旋轉運動的影響，各進給軸線性運動的合成將可能使刀心點在某些離散段內的運動軌跡嚴重偏離直線，從而產生非線性運動誤差，可以通過某些數(shù)學算法來實現(xiàn)。

2.1 RTCP檢測的優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點:RTCP檢測是利用球頭工具以及千分表進行，所涉及的工具較簡單，并且用時少，可以在日常加工狀態(tài)下進行，在數(shù)小時時間內可以完成實時精度檢測。

（2）缺點:誤差大。千分表必須與球頭表面正切，如果手動安裝容易產生千分表歪斜等眾多因素，引起測量結果誤差。由于是逐一對各個坐標進行精度檢測，在更換坐標方向時移動千分表，導致誤差值增大。更換坐標方向時必須重新找正球頭最大點位置，也加大了誤差的產生。沒有進行機床受力分析，檢測時不能消除機床各種間隙，所以不能精確地檢測出實時動態(tài)精度。

2.2 試切件技術檢測的優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點:試切件技術是模擬機床實時工件加工，用適當?shù)某绦蛞约扒邢鲄?shù)，展示機床加工時的動態(tài)精度狀態(tài)，且在表面質量以及體現(xiàn)機床實時反向間隙等方面有很大幫助。

（2）缺點:試切件技術由于程序、試切料、刀具等諸多限制以及時間消耗較長，所以在日常精度檢查中判斷機床動態(tài)精度方面不適用。實際加工中，當?shù)毒咧行脑诟麟x散段內的運動軌跡為直線時才能有效保證編程時的精度要求［4］。但對于空間復雜曲面的五坐標加工來說，由于旋轉運動的影響，各進給軸線性運動的合成將可能使刀心點在某些離散段內的運動軌跡嚴重偏離直線，從而產生非線性運動誤差，導致試切件技術程序設計較復雜。

3 檢測工具簡介

根據上述檢測技術的優(yōu)缺點，為了能在日常工作中迅速檢查出機床實時動態(tài)精度，在短時間內了解機床狀態(tài)，本文介紹一種基于RTCP功能設計并制作一種檢測工具，主要致力于提高檢測速率，減小人為操作誤差，能實時檢測出機床動態(tài)精度。

本工具是一塊三角形板，板上開有2個通孔，位于中間的通孔直徑為12.1 mm，用于通過磁性基座和固定桿對工具進行固定，位于邊上的通孔直徑為8.1 mm，用于固定千分表。垂直于板面設置有2個支臂，支臂上開有通孔，通孔直徑為8.1 mm，用于固定千分表。各通孔側面有螺紋孔，用于對各個裝置進行鎖緊。支臂下端有螺紋盲孔，用于鎖緊和安裝支臂，2個支臂均可以拆卸。支臂與底板垂直，2個支臂上通孔的軸心線延長線通過底板靠邊通孔的軸心線。詳見圖3所示。

本工具通過一次固定，保持千分表安裝位置為3個坐標軸互相垂直，經過計算獲得相應立柱長度，滿足安裝后快速定位找球頭最大點的位置，并有效地防止了手動安裝千分表與球頭表面不能正切而造成的檢測誤差。適用于五坐標含A、B坐標機床，以及五坐標含A、C擺角機床，尤其適用于五坐標并聯(lián)機床。

4 檢測工具使用方案

本工具使用經過簡單設計，可以用螺釘鎖緊，力臂可以進行拆卸，同時滿足各種五坐標機床的使用。下面介紹3種工具使用方法。

4.1 小角度全方位動態(tài)精度檢測

具體安裝如圖4所示，首先應將磁性基座吸附在工作臺表面，連桿上端通過夾具定位孔定位，保持夾具的支臂朝上，使用止動螺釘鎖定該夾具;2個支臂上安裝千分表，千分表表頭朝向夾具內側，使用止動螺釘鎖緊;夾具邊緣處的定位孔內安裝千分表一個，千分表表頭朝上，使用止動螺釘鎖緊。隨后調節(jié)千分表表面朝向，面向人眼易觀察的位置，夾具的安裝就完成了。

在機床主軸上安裝球頭刀具，移動機床X、Y、Z三坐標到夾具中央位置，并根據千分表讀數(shù)最大的部位找到X、Y、Z方向球頭刀具表面最高點。隨后設置刀長值=球頭刀具實際長度－球頭半徑，打開機床五軸聯(lián)動功能，輸入機床第四坐標及第五坐標任意值，球頭刀具根據給定的坐標旋轉，通過千分表的偏差大小可以準確地反映出機床的動態(tài)精度。

4.2 大角度全方向動態(tài)精度檢測（Z方向）

如圖5所示，將工具反向安裝，可以在單方向進行測試。用于檢測大擺角，例如檢測90°擺角時就可以用到，將工具翻轉過來反方向安裝，可以對其進行精度檢測，但是只能檢測Z方向。適用于AC擺角的五坐標機床。

表1 動態(tài)精度檢查用時

4.3 大角度雙方向動態(tài)精度檢測

如圖6所示，檢測大角度機床坐標時可以拆掉工具的1個支臂，拆卸后可以在兩個坐標方向對其進行動態(tài)精度檢測。不同于方法2的是在立柱方向的檢測角度不能超過45°。用于同時檢測固定大角度以及其他坐標小角度配合檢查。

5 工具實用效果

（1）使用本工具，結合RTCP功能，能更準確地判斷機床動態(tài)精度誤差。由于一次性裝夾，減少根據坐標頻繁裝夾，頻繁通過千分表尋找球頭在該坐標方向的最大值，頻繁操作等引起的人為誤差。一次定位就可以完成整個動態(tài)精度檢查，能有效減小人為操作帶來的誤差。

（2）提高工作效率。在正確熟練使用該工具的情況下，詳見表1，未使用工具前進行動態(tài)精度檢查需要的時間每次耗費約30 min，3個坐標總計耗時90 min;使用工具后三坐標同時進行檢測記錄，總共用時40 min，大大地縮短了檢測時間，減少復雜的繁瑣程序。

6 結語

通過該工具，可以在較短時間內收集機床實時動態(tài)精度，制定計劃并定期檢查動態(tài)精度可以根據動態(tài)精度的變化，研究動態(tài)系統(tǒng)的誤差來源，了解動態(tài)系統(tǒng)中誤差變化的趨勢，為進一步研究動態(tài)系統(tǒng)的誤差分辯幫溯源理論提供實驗依據。

［1］樊曙天，楊偉平.雙轉臺五坐標機床RTCP功能的研究［J］.制造技術與機床，2009（12）:74 －77.

［2］陳勁松.NUM數(shù)控系統(tǒng)在五軸插補上的特點［J］.制造技術與機床，2000（6）:54.

［3］梁全，王永章.五軸數(shù)控系統(tǒng)RTCP和RPCP技術應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2008（2）.

［4］趙薇，高春，馬躍，等.通用RTCP算法的研究與設計［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2008（5）.