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五軸機床動態(tài)精度的好壞直接影響航空零件的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，通過研發(fā)五軸動態(tài)精度的快速檢測方案，以最簡便方法和最低成本實現(xiàn)對機床精度的快速檢測驗證，達(dá)到實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)的目的。

 

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五軸機床為多軸高精密數(shù)控設(shè)備，當(dāng)前已大量運用于航空航天、風(fēng)電和核電等高端制造領(lǐng)域，由于機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機械精度要求高五軸機床的動態(tài)精度檢測和調(diào)整一直是業(yè)內(nèi)討論的熱點，并成為直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素之一。

 

常規(guī)的五軸精度檢測分為機械靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測。靜態(tài)檢測主要是對機床的幾何和位置精度的測繪，主要測量項點是機床空載情況下基礎(chǔ)運動構(gòu)件和運動軸相互的垂直度、直線度、平面度、圓跳動、重復(fù)定位和反向間隙等運動精度（見圖１）。實踐中運用水平儀、大理石方箱、千分表和標(biāo)準(zhǔn)棒等工具對機床主要運動部件的單一運動精度進行檢測，其反映了機床在未承受任何切削載荷狀態(tài)下各運動部件獨立的狀態(tài)表現(xiàn)。動態(tài)檢測是機床在運行過程中各主要運動機構(gòu)的綜合精度表現(xiàn)，通過動態(tài)檢測可以直接驗證五軸機床各運動部件將靜態(tài)精度轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)運動后的機械精度狀態(tài)，這種狀態(tài)最貼近于實際生產(chǎn)中五軸機床反映出來的綜合機械性能也是影響產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要因素。

圖1　五軸聯(lián)動加工中心

1.研發(fā)五軸快速動態(tài)檢測的背景

 

傳統(tǒng)的五軸動態(tài)檢測手段都是依靠紅外線激光設(shè)備（見圖２）對機床的單一運動軸進行實時運動檢測，檢測前清除各運動軸的實際補償值再通過機床重復(fù)定位運動對各軸進行分段變速檢測，在ＴＮＣ控制系統(tǒng)下可以將被測數(shù)據(jù)在線輸入機床控制系統(tǒng)并自動生成補償代碼值進行機械間隙補償。

 

但此檢測手段成本高、用時長，且無法偵測機械結(jié)構(gòu)在負(fù)載狀態(tài)下的綜合運動精度，因此如何快速檢測五軸動態(tài)精度將現(xiàn)有五軸設(shè)備生產(chǎn)力最大化釋放，成為各航空制造企業(yè)的重要難題之一。

 

圖２　傳統(tǒng)五軸動態(tài)檢測手段

 

2.五軸快速檢測方案細(xì)解

 

在競爭激烈的航空制造市場的推動下，利用五軸機床固有的補償功能配合精度球、千分表、宏程序和橢圓試塊可實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的五軸動態(tài)檢測。功能為的簡稱，又名刀具自動補償功能，原理是通過控制系統(tǒng)對五軸旋轉(zhuǎn)點到裝刀點的距離＋實際的刀具長度（見圖３）進行多角度空間數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)將編程控制點轉(zhuǎn)化為實際刀具切削接觸點的過程。

圖３?。遥裕茫性硎疽鈭D

 

五軸機床必須依據(jù)ＲＴＣＰ功能才能正確地進行多軸聯(lián)動切削運動，假設(shè)忽略機械硬件的誤差問題五軸機床的實際運行軌跡和計算機編程（ＣＡＭ）的ＮＣ代碼軌跡完全一致，所以將功能納入檢測方案中目的就是動態(tài)檢測時能完全準(zhǔn)確地追蹤五軸聯(lián)動時機械運動機構(gòu)的理論軌跡，精準(zhǔn)快速地達(dá)到檢測目的。

 

具體實施方案如下：

 

1） 調(diào)整五軸機床靜態(tài)精度（靜態(tài)精度為動態(tài)精度的基礎(chǔ)），此項調(diào)整周期用時很長通常在年度二級保養(yǎng)時已測繪補償?shù)轿?，在動態(tài)檢測前只需對主軸圓跳動、Ｘ／Ｙ／Ｚ／Ａ／Ｃ軸的反向間隙和Ｃ軸極限回轉(zhuǎn)誤差用百分表進行復(fù)測不再運用激光干擾器進行精度調(diào)整。

 

2）定制 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ的測量球（見圖４），要求球形直徑和圓度公差≤０.００５ｍｍ，表面粗糙度值Ｒａ＜０.８μｍ，鏡面，避免硬件誤差對動態(tài)檢測結(jié)果的影響。

圖4　測量球

 

3）利用精度標(biāo)準(zhǔn)棒校對五軸頭固定旋轉(zhuǎn)補償值（見圖５），此數(shù)值在機床出廠時已經(jīng)測繪輸入?yún)?shù)表，由于機床在長時間使用和維修過程中可能會造成補償值的變化，所以校對其值的正確性是必須的。

 

圖5　校對五軸頭固定旋轉(zhuǎn)補償值

如圖５所示以標(biāo)準(zhǔn)棒中心設(shè)立坐標(biāo)系，將千分表按圖放置，以標(biāo)準(zhǔn)棒最大外徑壓表０.１ｍｍ～后刻度歸零（壓表過程中注意排除Ｘ軸機械間隙）；手動移動Ｘ軸至安全位置，如圖所示旋轉(zhuǎn)Ａ軸至90度后再將主軸端面壓表對零這時Ｘ軸在設(shè)定坐標(biāo)系中的位移值即為實測值；計算五軸頭補＝實測值－標(biāo)準(zhǔn)刀長（150ｍｍ）－標(biāo)準(zhǔn)棒半徑（25ｍｍ）。注意：在頭補復(fù)測時應(yīng)全程取消五軸刀具補償功能。

圖6　五軸頭補測量示意

4）實施ＲＴＣＰ動態(tài)檢測，首先設(shè)置動態(tài)旋轉(zhuǎn)點，如圖７所示要使千分表在固定不動的情況下表頭接觸點在 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ半球外形上弧線運動，只能選擇旋轉(zhuǎn)點作為運動坐標(biāo)系原點因此先手動找到Ｂ點后再偏置至Ａ點設(shè)立檢測坐標(biāo)系。

圖7　設(shè)立檢測坐標(biāo)系

 

參照圖７將刀具實際補償值減短一個球頭半徑值（４０ｍｍ）作為檢測程序運行時刀具長度補償（Ｄ０１）值，運行檢測宏程序?qū)ξ遢S機床的動態(tài)精度進行多角度多軸聯(lián)動檢測（見圖８）宏程序如下。

 

N1 #1=90

N2 #2=45

N3 TROFOOF

N4 M06 T01 D01

N5 G0 A0 C0

N6 TRAOTI

N7 G90 G54 G01 Z100 F5000

N8 X0 Y0

N9 Z0

N10 M01

N11 G01 A=#1 F1000

N12 A=-#1

N13 A0

N14 M01

N15 C=#1

N16 A=#1 F1000

N17 A=-#1

N18 A0

N19 M01

N20 C=-#1

N21 A=#1 F1000

N22 A=-#1

N23 A0

N24 C0

N25 M01

N26 C=#2

N27 G01 A=#1 F1000

N28 A=-#1

N29 A0

N30 M01

N31 C=-#2

N32 A=#1 F1000

N33 A=-#1

N34 A0

N35 M01

……

圖8　五軸機床動態(tài)精度檢測

 

5）對五軸動態(tài)檢測結(jié)果進行驗證，通過對比分析動態(tài)檢測結(jié)果和試切件三坐標(biāo)計量結(jié)果，誤差重合率達(dá)96%～98%以上，實踐驗證五軸動態(tài)檢測的準(zhǔn)確性和可行性。

 

3. 結(jié)語

 

本文基于航空制造特點，針對產(chǎn)能大與五軸機床維修率逐年增高的實際情況，研發(fā)了五軸動態(tài)精度檢測手段，依靠快速動態(tài)檢測大大提高五軸精度檢測的效率并降低了檢測成本，為機床的調(diào)整及維修提供了可靠的數(shù)字依據(jù)。此檢測手段已被列入周/月度保養(yǎng)范疇，并在加工關(guān)重件前進行實施檢測，成為確保航空產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。

 

本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2019年第11期4-5頁，作者：宜賓市普什航空軍工事業(yè)部 周凱  ，原標(biāo)題：《五軸機床動態(tài)精度的快速檢測方案》。