五軸數(shù)控機(jī)床精度調(diào)整測試分析與研究

明子棣

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

0 引言

目前，五軸數(shù)控機(jī)床已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等多個領(lǐng)域，極大地提高了生產(chǎn)效率和零件精度，特別是對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面零件。因此，如何在使用過程中檢測與調(diào)整五軸數(shù)控機(jī)床的精度，成為了一個越來越重要的課題。

1 五軸數(shù)控機(jī)床的精度

對于五軸數(shù)控機(jī)床來說，除了常見的幾何精度、定位精度以外，還包括機(jī)床的RTCP（Rotated Tool Center Point，旋轉(zhuǎn)刀具中心點）精度。其中幾何精度反映的機(jī)床主要機(jī)械零部件的幾何形狀與安裝完成后相對位置的誤差。定位精度是指機(jī)床運動部件在運動時達(dá)到的實際位置與理論位置的誤差。數(shù)控機(jī)床的幾何精度和定位精度對最終的加工精度有很大影響，更是調(diào)整RTCP精度的基礎(chǔ)。

2 五軸數(shù)控機(jī)床幾何精度與定位精度的檢測與調(diào)整

在檢測機(jī)床精度前，應(yīng)先讓機(jī)床進(jìn)行熱機(jī)，使其達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)下開始檢測。因為冷機(jī)熱機(jī)之間精度存在一定差異，特別是對于大型數(shù)控機(jī)床。同時機(jī)床的幾何精度應(yīng)一次完成檢測，因為幾何精度之間相互影響，如針對某項指標(biāo)調(diào)整后會引起其他指標(biāo)的變化。

對于機(jī)床幾何精度的檢驗，通常采用直尺、方尺、角尺、芯棒、百分表等工具進(jìn)行檢驗，主要檢測項目包括機(jī)床臺面的水平度、各軸之間的垂直度與平行度，主軸的跳動精度等。幾何精度要求一般按照機(jī)床的出廠標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

在機(jī)床幾何精度達(dá)到要求后再對定位精度進(jìn)行檢測，現(xiàn)在直線軸一般采用激光干涉儀檢測定位精度。用激光干涉儀檢測定位精度的方法如下。

（1）安裝激光干涉儀并校準(zhǔn)光路；

（2）根據(jù)機(jī)床補償數(shù)據(jù)編制測量計劃并進(jìn)行編程；

（3）輸入激光干涉儀測量參數(shù)；

（4）輸出測量結(jié)果并生成定位精度與重復(fù)定位精度報告。

一般來說定位精度標(biāo)準(zhǔn)按VDI/DGQ 3441—1977或ISO 2302—2006執(zhí)行。對于回轉(zhuǎn)軸的定位精度與重復(fù)定位精度可以用激光干涉儀組件中的旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行測量，也可以采用角擺檢查儀或激光跟蹤儀進(jìn)行檢測。其中前者需要專用工裝來安裝在被測軸的回轉(zhuǎn)中心上，后者使用起來相對方便，只需安裝在主軸上即可。

影響定位精度的主要因素有傳動部件間隙、位置反饋元件、螺距誤差補償數(shù)據(jù)等。其中傳動部件間隙及位置反饋元件的安裝位置靠機(jī)械調(diào)整，螺距誤差補償數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中調(diào)整。本文主要針對西門子840D及840D SL系統(tǒng)進(jìn)行說明。

阿里巴巴董事局主席馬云在香港舉辦的“一帶一路：由香港進(jìn)”論壇上表示，“未來中國有三大主要的機(jī)會：市場化、內(nèi)需提升和經(jīng)濟(jì)全面數(shù)據(jù)化。中國有獨一無二的優(yōu)勢來抓住這些機(jī)會。”

（1）840D及840D SL中主要相關(guān)的參數(shù)。32450 BACKLASH 反向間隙，單位mm；32700[e]ENC_COMP_ENABLE，1表示在回參考點后激活螺距補償，0表示未針對測量系統(tǒng)激活螺距補償；34090[e]REFP_MOVE_DIST_CORR參考點偏移/絕對偏移，單位 mm；38000[e，AXi]MM_ENC_COMP_MAX_POINTS，絲杠螺距誤差補償點數(shù)量，修改后會輸出6020報警，需PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）備份再回裝后生效。

（2）補償文件內(nèi)容的參數(shù)。$AA_ENC_COMP[e，n，AXi]=〈補償值〉，補償值；$AA_ENC_COMP_STEP[e，n，AXi]=〈間隔〉，插補點間隔；$AA_ENC_COMP_MIN[e，n，AXi]=〈軸實際值〉，起始位置；$AA_ENC_COMP_MAX[e，n，AXi]=〈軸實際值〉結(jié)束位置；以上[e]為編碼器索引：0，編碼器 1；1，編碼器 2。[n]插補點索引：0，第一插補點；1，第二插補點；2，第三插補點等。[AXi]軸名稱：AX1至AX31，可以使用預(yù)定義的通用機(jī)床軸名稱AX1～AX31，或使用MD 10000：AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[..]的實際軸名稱

（3）西門子補償?shù)牟襟E。定義起始點和結(jié)束點→定義插補點之間的間隔→根據(jù)起始點、結(jié)束點、間隔計算插補點數(shù)，修改MD38000→保存 NC（Numerical Control，數(shù)控系統(tǒng)）數(shù)據(jù)[PLC 備份]→讀入NC數(shù)據(jù)（裝載PLC備份）→MD32700=0→讀出螺距補償數(shù)據(jù)→具有補償0的參考點→用儀器測量出誤差數(shù)據(jù)→編輯螺距補償數(shù)據(jù)→讀入螺距補償數(shù)據(jù)→MD 32700=1→NCK（NC Realtime Kema，西門子的數(shù)控實時操作系統(tǒng)）復(fù)位→回參考點→在Diagnosis（診斷）菜單中檢查補償是否生效

在對回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定位精度補償時，需先校正回轉(zhuǎn)軸（A，B（C））的絕對零點位置，校正回轉(zhuǎn)軸絕對零點位置的方法是在RTCP功能關(guān)閉的情況下用芯棒進(jìn)行檢測，然后將誤差值在MD34090原值上進(jìn)行加減進(jìn)行補償，補償完畢后需回參考點后再次進(jìn)行校驗。

3 RTCP精度的檢驗與調(diào)整

RTCP精度是五軸聯(lián)動機(jī)床的重要精度指標(biāo)，直接影響最終的加工精度。在五軸加工中，追求刀尖點軌跡及刀具與工件間的姿態(tài)時，由于機(jī)床誤差，數(shù)控系統(tǒng)控制點往往與刀尖點不重合，因此數(shù)控系統(tǒng)要自動修正控制點，以保證刀尖點按指令既定軌跡運動。下面針對雙擺頭的機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行RTCP的精度分析。RTCP精度是一個綜合的空間精度，影響RTCP精度的主要因素有：機(jī)床各軸的定位精度和重復(fù)定位精度，機(jī)床各軸的的加速度，RTCP的中心點長度，回轉(zhuǎn)坐標(biāo)的絕對零點位置誤差，RTCP機(jī)械偏心誤差等[1]。

（1）RTCP的檢驗方法。將球頭檢棒裝在主軸上，在刀具參數(shù)中輸入球頭檢棒的長度（注意減去球頭半徑），在A0C0位置將百分表頂在球頭檢棒正下方，開啟RTCP功能，依次旋轉(zhuǎn)到A0C0→A90C0→A90C90→A90C180→A90C270→A90C360→A-90C0→A-90C90→A-90C180→A-90C270→A-90C360，若機(jī)床行程不夠則根據(jù)實際情況進(jìn)行檢測，注意觀察旋轉(zhuǎn)過程中百分表讀數(shù)的變化，一般RTCP要求是0.04 mm。

（2）RTCP的調(diào)整方法。校正定位精度和重復(fù)定位精度→校正機(jī)床回轉(zhuǎn)軸絕對零點位置→校正機(jī)床的RTCP的中心點長度→校正RTCP機(jī)械偏心的補償。

其中校正定位精度和重復(fù)定位精度與校正機(jī)床回轉(zhuǎn)軸絕對零點位置的步驟見上文內(nèi)容。中心點長度及機(jī)械偏心誤差示意見圖1。RTCP的中心點長度BL的測量方法：機(jī)床在A角0°度時安裝長度已知的芯棒，記錄此時的Z軸的數(shù)值Z1及壓表值，然后將A角旋轉(zhuǎn)到90°，移動Z軸使芯棒壓表值與剛剛一致，記錄此時Z軸的數(shù)值Z2，則BL=Z1-Z2+芯棒半徑。

圖1 中心點長度及機(jī)械偏心誤差

（3）RTCP機(jī)械偏心值的測量及補償方法。①Hv，實際刀具軸線與A角軸線的誤差值，測量方法為：關(guān)閉RTCP功能，將A軸旋轉(zhuǎn)到90°，百分表下母線拉平，記錄此時Z軸的坐標(biāo)值ZH1與壓表值，再將A角旋轉(zhuǎn)到-90°，百分表下母線拉平，移動Z軸使芯棒壓表值與剛剛一致，記錄此時Z軸的數(shù)值 ZH2，則 Hv=（ZH1-ZH2）/2，將這個誤差值修正到原補償值里面。②Xz，RTCP開啟時刀具的軸線與A/C頭旋轉(zhuǎn)中心在X軸方向上的誤差值，測量方法為：開啟RTCP，旋轉(zhuǎn)到A0C0位置，將百分表放在X軸方向的芯棒側(cè)母線上，然后旋轉(zhuǎn)C到180°，將誤差值的一半修正到原補償值里面。③Yz，RTCP開啟時刀具的軸線與A/C頭旋轉(zhuǎn)中心在Y軸方向上的誤差值，測量方法為：開啟RTCP，旋轉(zhuǎn)到A0C0位置，將百分表放在Y軸方向的芯棒側(cè)母線上，然后旋轉(zhuǎn)C到180°，將誤差值的一半修正到原補償值里面。

在以上補償完畢后也需再次校驗RTCP精度是否達(dá)到要求。