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重要的一種加工設備，可用于加工各種復雜曲面，隨著對工件加工質量要求的不斷提高，如何提高五軸數控機床加工精度問題成為熱點。

機床自身的制造和裝配誤差，影響著機床的幾何精度，同時，對于五軸數控機床而言，誤差造成回轉軸心不重合，降低了五軸聯動精度，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，通過對機床運動誤差源分析、建立數學模型和計算，將機床的空間定位誤差實時地反饋到控制系統，實現誤差的修正，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，直線軸聯動回轉中心與兩旋轉軸軸心位置的不重合幾何誤差，制約著五軸數控機床加工精度。為解決此問題，本文提出以下方案：圍繞回轉中心，建立五軸數控機床聯動軌跡模型，設計幾何誤差檢測方案；分析列表實際檢測誤差數據；通過對機床機械系統運動誤差的計算，將空間定位誤差實時地反饋到控制系統，實現誤差修正。通過對沈陽機床某轉擺臺式五軸數控機床進行實例研究，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。直線軸X、Y、Z 聯動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行插補計算得到。當A 軸回轉中心、C 軸回轉中心、直線軸X、Y、Z 聯動回轉中心不重合幾何誤差偏大時，五軸數控機床加工精度就會降低。因此，做到三中心重合或偏差小，成為了提高五軸機床聯動精度的必要手段。

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位置；

（5）X、Y、C 軸做大圓聯動，觀測并記錄X、Y 兩個方向隨著C 軸角度變化時，千分表讀數變化；

（6）計算出直線軸聯動回轉中心與C 軸軸心在X/Y平面上的誤差；

（7）Y、Z、A 軸做大圓聯動，觀測并記錄Y、Z 兩個方向隨著A 軸角度變化時，千分表讀數變化；

（8）計算出直線軸聯動回轉中心與A 軸軸心在Y/Z平面上的誤差。

4 測量原理

以只考慮直線軸聯動回轉中心與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，做大圓聯動，通過千分表的變化來進行誤差分析。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軸聯動回轉中心O2 與C 軸回轉中心O 在X/Y 方向上誤差a/b造成。因此通過對千分表變化值的分析，計算出a/b 值，進入數控系統進行誤差補償，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

以只考慮直線軸聯動回轉中心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），直線軸聯動回轉中心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，做大圓聯動，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。

經過誤差檢測與計算，得出修正參數a、b、c、d，補償到數控系統中。

7 實例應用

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

以只考慮直線軸聯動回轉中心O2與C 軸回轉中心O 在X、Y 方向上誤差為例。如表3 所示，通過此方法對該機床進行誤差補償后，提高了機床聯動精度。

8 結語

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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