五軸數(shù)控機床的運動精度檢測剖析

五軸數(shù)控機床的精度檢測方法分析摘要：本文首先對五軸數(shù)控機床的精度檢測技術做了一個簡要概括，然后介紹數(shù)控機床精度檢測的必要性,指出數(shù)控機床常見的精度要求及傳統(tǒng)檢測方法,并介紹先進檢測方法和檢測儀器、工具,以及各個檢測方法的特點。關鍵詞：五軸數(shù)控機床；精度檢測Precision analysis of detection method of five axis CNC machine toolsAbstract: Firstly，this paper introduces the precision detection technology of five axis NC machine tools, and then introduces the necessity of CNC machine tool accuracy detection accuracy requirements of CNC machine tools, points out the common and the traditional detection method, and introduce advanced detection method and detection instruments, tools, and the characteristics of each detection method.Key words: Five axis NC machine tool；Precision detection1 引言五軸聯(lián)動數(shù)控機床目前已大量用于航空制造等高端制造領域。由于機床復雜的機械結構及控制系統(tǒng)，五軸聯(lián)動機床加工精度檢測及優(yōu)化一直是機械制造行業(yè)內研究的熱點和難點，成為影響產(chǎn)品加工質量及效率的關鍵。對企業(yè)來說,購買數(shù)控機床是一筆相當大的投資,特別是購買大型機床。實踐表明,大多數(shù)大型數(shù)控機床解體發(fā)運給用戶安裝時,必須在現(xiàn)場調試才能符合其技術指標,因此,在新機床檢收時,要進行嚴格的檢定,使機床一開始安裝就能保證達到其枝術指標預期使用性能和生產(chǎn)效率。投入生產(chǎn)的數(shù)控機床使用一段時間后,必須再進行精度檢定。通常新機床在使用半年后需再次進行檢定,以后每年檢測一次,定期檢測機床誤差,并及時校正螺距及反向間隙等,可切實改善使用中的機床精度及零件加工質量,提高機床的生產(chǎn)率。2 數(shù)控機床精度檢測技術研究現(xiàn)狀 常用的機床誤差測量方法有直接測量法和間接測量法,其中間接測量法,如首先用典型工件試切或試加工,然后再對所試切的工件進行精度檢測。但這種方法的測量結果中包括了工藝、刀具和材料等因素在內，雖然可以通過試件的加工精度間接反映出機床的精度，但不能精確地用于指導機床的研發(fā)和改進。而直接測量法如用微位移傳感器測量裝夾在主軸上的圓柱形基準棒或基準球，或者對裝夾在工件臺面上的基準量塊或平尺直接進行測量,這種方法可以直接獲得某項誤差,但該方法測量效率低,測量的范圍(如行程)有限。 目前世界各國對數(shù)控機床精度檢測指標的定義、測量方法及數(shù)據(jù)處理方法等都有所不同。國際上有五種精度標準體系,分別為:德國VDI標準、日本JIS標準、國際標準ISO標準、國標GB系列、美國機床制造商協(xié)會NMTBA。其中NAS979是美國國家航空航天局在二十世紀七十年代提出的通用切削試件,NAS試件”是通過檢測加工好的圓錐臺試件的“面粗糖度、圓度、角度、尺寸”等精度指標來反映機床的動態(tài)加工精度。NAS試件已在三坐標數(shù)控機床的加工精度檢測方面得到了很好的應用,但用NAS試件來檢測五軸數(shù)控機床的加工精度還存在一些問題。成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司于2011年提出了用于檢驗五軸數(shù)控機床的標準試件“S形試件”,該試件是由一個呈“S”形狀的直紋面等厚緣條和一個矩形基座組合而成,通過檢測加工試件的“外形輪廓尺寸、厚度、表面粗糙度”等指標,以及試件上的3條線共99個點的坐標位置來檢驗五軸數(shù)控機床的加工精度,“S形試件”是目前五軸數(shù)控機床精度檢驗通用的檢測試件,該試件已于2011年申請美國國家專利,“S形試件”模型圖及檢測點如圖1.1所示。S試件模型圖測量方法需根據(jù)具體的測量儀器來制訂,機床精度提髙的需求也促進了機床精度檢測工具的發(fā)展。根據(jù)檢測軌跡的不同,檢測儀器可分為圓軌跡運動檢測和直線運動軌跡檢測。由于機床的圓軌跡運動包含了較多誤差信息,因此開發(fā)一種用于檢測機床軌跡運動的儀器也是國內外學者的研究重點。 Heidenhaim公司研制的平面正交光柵(GGET),既可以檢測圓軌跡又可以檢測直線軌跡或不規(guī)則的異形平面運動。Wei Gao等用光電自準直儀檢測主軸偏角的誤差,用電容位移測頭測出了主軸的軸向跳動誤差,用直尺和電容位移測頭結合檢測出了導軌的直線度誤差。用于直線運動軌跡檢測的儀器,目前比較常用的有雙頻激光干涉儀和激光跟蹤儀。上海交通大學與美國光動公司合作,基于激光多普勒位移測量儀提出了一種沿體對角的機床空間幾何誤差的激光矢量測量方法,通過分步測量機床工作空間的4條體角線,并結合空間誤差綜合模型快速分離機床的19項誤差。該方法通過添加3個面上的6條對角線,可以實現(xiàn)分離出機床的21項幾何誤差。 根據(jù)國際生產(chǎn)工程協(xié)會(CIRP)的預測,至2012年,30%-50%的新機床將配備定位誤差、直線度和各種轉向誤差的補償功能。隨著數(shù)控機床使用數(shù)量的增加,在使用過程中如何對數(shù)控機床精度進行再標定及誤差溯源,調整機床以排除故障或對其進行誤差補償,并定期地對數(shù)控機床誤差進行檢測和補償?shù)男枨笠矔黾?。提高機床精度的關鍵步驟是誤差檢測,因此快速高效的誤差檢測方法也成為研究的重點,同時隨著多軸數(shù)控機床的廣泛應用,研究的對象也逐漸向多軸機床轉移。3 五軸數(shù)控機床的傳統(tǒng)精度檢測方法五軸機床一般是比三軸機床多兩個旋轉軸。首先，要對三個直線軸進行檢測；其次，是針對兩個旋轉軸的檢測；最后，要對五軸聯(lián)動性能進行檢測。主要包括兩個：（1）三個直線軸的檢測方法和三軸銑床一樣，所以這里不做敘述。（2）兩個旋轉軸的檢測因為旋轉軸的各項精度對五軸加工精度的影響遠遠大于三個直線軸精度的影響，所以對五軸機床的檢測重點是兩個旋轉軸的精度。旋轉軸的精度包括兩個方面：一方面是旋轉軸運動的精度，主要要檢測每個旋轉軸的重復定位精度；另一方面是兩個旋轉軸相互之間的關系，主要檢測兩個旋轉軸軸線和主軸軸線之間空間幾何關系是否正確。4.1 測量旋轉軸的重復定位精度方法和直線軸測量方法類似：對于轉臺類型的旋轉軸，在轉臺上固定一個方塊，用千分表接觸方塊的表面，旋轉轉臺一定角度，再反向旋轉轉臺同樣多角度，回到原位，觀察兩次表針接觸方塊表面時的表讀數(shù)是否一致，誤差多少（如圖1）；對于擺頭類型的旋轉軸，在主軸上裝上檢測用芯棒，用千分表指針接觸芯棒來檢測（如圖2）。 圖1 測量轉臺的重復定位精度 圖2 測量擺頭的重復定位精度4.2測定兩個旋轉軸和主軸之間的空間幾何關系這項需要按照五軸銑床的類型分為三種情況：（1）雙轉臺結構的五軸銑床C軸軸線B軸軸線圖3為一個雙轉臺結構的示意圖，在圖中標出了兩個旋轉軸的軸線，這兩根軸線應該如圖中那樣相交于一點。如果這兩個旋轉軸的軸線不相交，則要測定出兩個軸線的偏心距離。 圖3 雙轉臺結構示意圖 測定方法如下：先將C軸轉臺校正，使C軸轉臺平行于XY平面（方法略）；再如圖4轉臺最高點轉臺最高點所示，分別旋轉B軸+90和-90，測量兩個方位下B軸轉臺側面最高點的高度差。如果高差為零，則雙轉臺的空間幾何關系符合理想情況，如果高差不為零，則B、C軸的偏心量為此高差的二分之一。圖4 雙轉臺軸線偏心量測定（2）轉臺和單擺頭結構的五軸銑床圖5為單擺頭結構的示意圖，圖中標出了B軸的軸線和主軸的軸線，這兩個軸線應該相交于一點，如果它們不相交，需要測定出它們的距離，即主軸和擺動軸B軸的偏心量。B軸軸線主軸軸線圖5 轉臺和擺頭銑床擺頭部分結構示意圖測定方法如下：先在主軸上裝上檢測用芯棒，校正B軸，使芯棒（主軸軸線）垂直于XY平面（方法略）；再如圖6中所示，分別旋轉B軸+90和-90，測量兩個方位下芯棒側面最低點的高差。如果高差為零，則擺頭和主軸間的空間幾何關系符合理想情況，如果高差不為零，則主軸和B軸的偏心量為此高差的二分之一。圖6 擺頭和主軸偏心量測定（3）雙擺頭結構的五軸銑床圖7為雙擺頭結構示意圖，圖中標出了主軸軸線、B軸軸線和C軸軸線。理想情況下，主軸軸線和C軸軸線應該重合，B軸軸線和它們相交。如果這三個軸線不符合這種理想情況，需要測定出它們之間的偏心量。C軸軸線B軸軸線主軸軸線圖7 雙擺頭結構示意圖首先，測定B軸和主軸的偏心量，方法和單擺頭銑床的測定方法一樣。然后，測定C軸和主軸的偏心量，方法如下：如圖8左邊所示，在工作臺上固定一個標準圓柱型，將千分表表座固定在C軸上，表針接觸圓柱形側面，調整機床XY軸的位置，使得C軸旋轉時千分表讀數(shù)不變，這樣C軸軸線就和圓柱形的中心重合了，將這個位置機床的X、Y坐標值記錄下來；如圖8右邊所示，先轉動B軸，使主軸軸線垂直于工作臺（XY平面），再在主軸上裝上檢棒，將表座固定在檢棒上（主軸上），表針接觸圓柱形側面，調整機床XY軸的位置，使得檢棒旋轉時千分表讀數(shù)不變，這樣主軸軸線就和圓柱形中心重合了，將這時機床的X、Y坐標值同剛剛記錄下來的坐標值比較，差值就是C軸軸線和主軸軸線的X、Y偏心量。圖8 雙擺頭銑床C軸和主軸偏心測定綜上所述，雙轉臺銑床的B軸、C軸是結合為一體的雙轉臺，要測定出B、C軸的偏心量；轉臺和單擺頭銑床的B軸和主軸結合為一體，要測定出B軸和主軸的偏心量；雙擺頭銑床的B軸、C軸和主軸是結合為一體的雙擺頭，需要測定出B軸和主軸、C軸和主軸的偏心量。三 五軸聯(lián)動性能的檢測五軸聯(lián)動性能的檢測不需要按照五軸銑床的類型來分類。五軸聯(lián)動性能的檢測的目的有兩個：一是檢測對五軸銑床幾個軸之間空間幾何關系測定的準確性，二是檢測機床數(shù)控系統(tǒng)對五軸空間幾何關系的補償功能。五軸聯(lián)動性能的檢測不能通過直接測量來檢測，而是通過加工一些標準形狀，再測量加工出形狀的誤差來檢測的：（一） 直線在一個平面上加工一條直線，加工時要求刀軸連續(xù)變化，圖9中所示就是一種5軸加工直線的刀路，可以嘗試用多種刀軸控制方法來加工。加工用材料可以選擇較易加工的非金屬材料或者有色金屬，刀具用球刀。加工好以后，觀察直線是否彎曲，如果明顯彎曲，則需要重新檢測機床各項精度，特別是重新測定兩旋轉軸和主軸間的偏心關系是否正確。圖9 變刀軸加工直線刀路（二）平面用球刀精加工一個平面，將這個平面分為多段，分別用數(shù)個不同角度的固定刀軸和連續(xù)變化的刀軸來加工，圖10中所示為這些加工刀路。加工好以后，測量這個平面上不同段之間的誤差，理想情況下這個平面仍然是平的，如果誤差過大，則重新測定兩旋轉軸和主軸間的偏心關系是否正確。圖10 多種刀軸控制方法加工同一個平面（三）球形用球刀精加工球形，要超過半球，刀軸垂直于球面加工，分別采用沿經(jīng)線雙向加工和沿緯線螺旋加工的方法各加工一個直徑相同的球形，加工刀路如圖11所示。加工好之后，測量兩個球形的直徑，和標準值比較誤差。如果有條件，還可以測量兩個球形的圓度和標準球形的誤差值。圖11 五軸加工球形的兩種刀路以上就是用加工標準形狀的方法來檢測五軸銑床的五軸聯(lián)動性能的一種基本方法?？偨Y如下：先加工一條直線，初步判斷五軸空間幾何關系測定的正確性，同時檢測數(shù)控系統(tǒng)的補償功能是否生效。這是一維形狀的檢測，是最基本的要求，在此基礎上才能做下面的檢測。再加工一組平面，檢測五軸空間幾何關系測定的準確性，同時檢測數(shù)控系統(tǒng)的補償功能是否設定正確。這是二維形狀的檢測，比一維形狀的檢測的要求高一等級，如果檢測合格，說明五軸空間幾何關系的測定基本準確，同時數(shù)控系統(tǒng)基本滿足五軸加工的要求。最后，加工球形，進一步檢測五軸空間幾何關系測定的準確性，同時檢測數(shù)控系統(tǒng)的補償功能是否在三維空間做出了正確的運動補償。這是三維形狀的檢測，也是最高等級的要求。如果滿足了三維形狀加工的要求，就可以說這臺五軸銑床完全合格，可以勝任生產(chǎn)加工任務了。4 五軸數(shù)控機床的先進精度檢測方法傳統(tǒng)的檢測方法和檢測工具只是用于精度較低的中小型數(shù)控機床,國內各工廠的大型數(shù)控機床絕大多數(shù)是進口的,均采用高精度的激光干涉儀、球桿儀。如今，通過一系列步驟的直接檢測來判斷機床的精度，依然是許多機床生產(chǎn)商和使用者的首選方法。單項檢測法的測量不確定度很小，結果可信度很高。針對直線軸的比較成熟的檢測法如下:4.1 激光干涉儀測量定位誤差激光干涉儀測量直線運動軸的定位精度用激光干涉儀測量定位誤差，如圖所示。由于部分機床的回轉軸安裝在工作臺面以下，其回轉軸的運動精度只能在機床裝配時進行測量和改善。單項檢測法只能實現(xiàn): 使用激光干涉儀和反射鏡組測量回轉軸的角度定位精度4.2 球桿儀法球桿儀法是ISO 230-1中推薦的一種方法，1982年，J BBRYAN在美國Lawrence Livermore國家實驗室，首先開發(fā)出了用于快速檢測數(shù)控機床運動誤差的球桿儀&球桿儀由兩個精密金屬圓球和一個可伸縮連桿組成，在連桿中間鑲嵌著用于檢測位移的光柵尺，如圖 . 所示&測量時，一個圓球通過磁性鋼座固定在工作臺上，另一個圓球通過同樣的裝置安裝在主軸上。雷尼紹QC20球桿儀設備球桿儀可以同時動態(tài)測量兩軸聯(lián)動狀態(tài)下的圓運動精度，新式的球桿儀設備可以在一次安裝后，依次測量XY，YZ，XZ個平面上的圓軌跡精度。數(shù)控機床的垂直度、重復性、間隙、各軸的伺服增益比例匹配、伺服性能和絲杠周期性誤差等參數(shù)指標都能從圓運動輪廓的半徑變化中反映出來。通常，測量周期不超過1h。球桿儀是一維的位移測量，在檢測多軸機床時，需要設置復雜的聯(lián)動方案。一維測量能獲得的信息是有限的，從空間三維測量的角度來講，會遺漏許多關鍵的誤差源信息，球桿儀的安裝和調準依然是一項需要較高技術的工作，難以實現(xiàn)機床精度檢驗的自動化和高效。4.3平面光柵法如圖 # 所示，工作臺上置有直徑140mm、刻有高精度正交柵紋的平面光柵，主軸端裝有讀數(shù)光柵&在平面光柵的有效工作范圍內，不論按NC指令執(zhí)行的工作臺與主軸所作的相對運動是規(guī)則的圓運動、直線運動或者是不規(guī)則的復雜曲線運動，都可通過主軸端的讀數(shù)頭及后續(xù)電路直接讀出其運動軌跡是否精良的信號，讀數(shù)分辨率可達5nm。海德漢Heidenhain公司的KGM平面光柵測量系統(tǒng)平面正交光柵法可以通過檢測機床直線軸復合軌跡運動( 直線軌跡和圓軌跡的組合) 的軌跡誤差，解算出數(shù)控機床的3個直線軸的21項運動誤差。除了儀器價格較高這一點之外，是當今現(xiàn)場運動精度診斷的首選方法。但平面光柵也存在一定的局限性，因為它的檢測都局限在平面上，無法評價五軸機床多軸聯(lián)動（尤其是包含回轉軸的聯(lián)動）的空間精度。4.4 R-test方法Rest測量裝置由瑞士的S WEIKERT和WKNAPP在2004年發(fā)明Cs7，專門針對五軸數(shù)控機床的誤差測量。Rest裝置由一個高精度的標準球(陶瓷或鋼)和安裝有3個(或者4個)位移傳感器的探測頭組成。傳感器探頭的平而與球體表而相互接觸，標準球和探測頭分別裝在主軸端或工作臺，如圖5所示。機床做多軸聯(lián)動時，標準球隨主軸運動，探測系統(tǒng)隨工作臺運動，5軸機床可以保證多軸聯(lián)動時球心和底座的空間相對位置保持不變，即刀具中心點( Tool Center Point)和工件的空間相對位置不變。由于機床幾何誤差的存在，球體和探測頭的相對位置發(fā)生微小的偏移，空間3個方向的偏移量被傳感器測得。將3個(或者4個)位移傳感器的測量結果轉換為空間X, Y, Z方向的偏移。此外，ZARCAR-BASHI等提出了一種測量設備CapBall，使用的是非接觸式的傳感器。日本的Soichi IBARAKI等對R-test系統(tǒng)進行了更加深入的研究圖，提出使用非接觸式的測量。ISO TC39/SC2己經(jīng)在討論收錄R-test。IBS精密工程和FIDIA己有商用的類似R-test裝置。瑞士的wKNAPP等致力于R-test配合精密球盤的檢測研究D n7，數(shù)控機床的工作臺上裝上精密的球盤，然后主軸端安裝R-test探測頭，機床的直線軸按照NC指令運動，使Rest按照特定的川頁序測量球盤.典型的R-test測量裝置相對于激光干涉儀，平而光柵和球桿儀，R-test具有著3維位移檢測的優(yōu)勢，在一次測量中能獲得的信息很多，能夠分析五軸機床的大部分誤差源。Rest可以配合標準球或者精密球盤等，實現(xiàn)復雜的運動檢測，具有很大的潛力，是當今機床精度研究的熱點。作者所在課題組正在致力于R-test裝置的原理和結構設計，會有陸續(xù)的研究成果展示。5 結束語 對于集機、電、液、氣于一體的大型數(shù)控機床的驗收,無論是預驗收,還