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五軸機(jī)床動(dòng)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(dòng)態(tài)精度的快速檢測(cè)方案，以方法和成本實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床精度的快速檢測(cè)驗(yàn)證，達(dá)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)的目的。

 

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五軸機(jī)床為多軸高精密數(shù)控設(shè)備，當(dāng)前已大量運(yùn)用于航空航天、風(fēng)電和核電等制造領(lǐng)域，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機(jī)械精度要求高五軸機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)和調(diào)整一直是業(yè)內(nèi)討論的熱點(diǎn)，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(cè)分為機(jī)械靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)主要是對(duì)機(jī)床的幾何和位置精度的測(cè)繪，主要測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)是機(jī)床空載情況下基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)軸相互的垂直度、直線度、平面度、圓跳動(dòng)、重復(fù)定位和反向間隙等運(yùn)動(dòng)精度（見圖１）。實(shí)踐中運(yùn)用水平儀、大理石方箱、千分表和標(biāo)準(zhǔn)棒等工具對(duì)機(jī)床主要運(yùn)動(dòng)部件的單一運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行檢測(cè)，其反映了機(jī)床在未承受任何切削載荷狀態(tài)下各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立的狀態(tài)表現(xiàn)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)是機(jī)床在運(yùn)行過程中各主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的綜合精度表現(xiàn)，通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)可以直接驗(yàn)證五軸機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件將靜態(tài)精度轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)后的機(jī)械精度狀態(tài)，這種狀態(tài)最貼近于實(shí)際生產(chǎn)中五軸機(jī)床反映出來的綜合機(jī)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(dòng)加工中心

1.研發(fā)五軸快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)的背景

 

傳統(tǒng)的五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段都是依靠紅外線激光設(shè)備（見圖２）對(duì)機(jī)床的單一運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)前清除各運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際補(bǔ)償值再通過機(jī)床重復(fù)定位運(yùn)動(dòng)對(duì)各軸進(jìn)行分段變速檢測(cè)，在ＴＮＣ控制系統(tǒng)下可以將被測(cè)數(shù)據(jù)在線輸入機(jī)床控制系統(tǒng)并自動(dòng)生成補(bǔ)償代碼值進(jìn)行機(jī)械間隙補(bǔ)償。

 

但此檢測(cè)手段成本高、用時(shí)長，且無法偵測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)在負(fù)載狀態(tài)下的綜合運(yùn)動(dòng)精度，因此如何快速檢測(cè)五軸動(dòng)態(tài)精度將現(xiàn)有五軸設(shè)備生產(chǎn)力釋放，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(dòng)態(tài)檢測(cè)手段

 

2.五軸快速檢測(cè)方案細(xì)解

 

在競爭激烈的航空制造市場的推動(dòng)下，利用五軸機(jī)床固有的補(bǔ)償功能配合精度球、千分表、宏程序和橢圓試塊可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)。功能為的簡稱，又具自動(dòng)補(bǔ)償功能，原理是通過控制系統(tǒng)對(duì)五軸旋轉(zhuǎn)點(diǎn)到裝刀點(diǎn)的距離＋實(shí)際的刀具長度（見圖３）進(jìn)行多角度空間數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)將編程控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際刀具切削接觸點(diǎn)的過程。

圖３　ＲＴＣＰ原理示意圖

 

五軸機(jī)床必須依據(jù)ＲＴＣＰ功能才能正確地進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)，假設(shè)忽略機(jī)械硬件的誤差問題五軸機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行軌跡和計(jì)算機(jī)編程（ＣＡＭ）的ＮＣ代碼軌跡*一致，所以將功能納入檢測(cè)方案中目的就是動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)能*準(zhǔn)確地追蹤五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的理論軌跡，精準(zhǔn)快速地達(dá)到檢測(cè)目的。

 

具體實(shí)施方案如下：

 

1） 調(diào)整五軸機(jī)床靜態(tài)精度（靜態(tài)精度為動(dòng)態(tài)精度的基礎(chǔ)），此項(xiàng)調(diào)整周期用時(shí)很長通常在年度二級(jí)保養(yǎng)時(shí)已測(cè)繪補(bǔ)償?shù)轿唬趧?dòng)態(tài)檢測(cè)前只需對(duì)主軸圓跳動(dòng)、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(jìn)行復(fù)測(cè)不再運(yùn)用激光進(jìn)行精度調(diào)整。

 

2）定制 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ的測(cè)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(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖4　測(cè)量球

 

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

 

圖5　校對(duì)五軸頭固定旋轉(zhuǎn)補(bǔ)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)棒外徑壓表０.１ｍｍ～后刻度歸零（壓表過程中注意排除Ｘ軸機(jī)械間隙）；手動(dòng)移動(dòng)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(duì)零這時(shí)Ｘ軸在設(shè)定坐標(biāo)系中的位移值即為實(shí)測(cè)值；計(jì)算五軸頭補(bǔ)＝實(shí)測(cè)值－標(biāo)準(zhǔn)刀長（150ｍｍ）－標(biāo)準(zhǔn)棒半徑（25ｍｍ）。注意：在頭補(bǔ)復(fù)測(cè)時(shí)應(yīng)全程取消五軸刀具補(bǔ)償功能。

圖6　五軸頭補(bǔ)測(cè)量示意

4）實(shí)施ＲＴＣＰ動(dòng)態(tài)檢測(cè)，首先設(shè)置動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，如圖７所示要使千分表在固定不動(dòng)的情況下表頭接觸點(diǎn)在 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ半球外形上弧線運(yùn)動(dòng)，只能選擇旋轉(zhuǎn)點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)因此先手動(dòng)找到Ｂ點(diǎn)后再偏置至Ａ點(diǎn)設(shè)立檢測(cè)坐標(biāo)系。

圖7　設(shè)立檢測(cè)坐標(biāo)系

 

參照?qǐng)D７將刀具實(shí)際補(bǔ)償值減短一個(gè)球頭半徑值（４０ｍｍ）作為檢測(cè)程序運(yùn)行時(shí)刀具長度補(bǔ)償（Ｄ０１）值，運(yùn)行檢測(cè)宏程序?qū)ξ遢S機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行多角度多軸聯(lián)動(dòng)檢測(cè)（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(jī)床動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)

 

5）對(duì)五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過對(duì)比分析動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果和試切件三坐標(biāo)計(jì)量結(jié)果，誤差重合率達(dá)96%～98%以上，實(shí)踐驗(yàn)證五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可行性。

 

3. 結(jié)語

 

本文基于航空制造特點(diǎn)，針對(duì)產(chǎn)能大與五軸機(jī)床維修率逐年增高的實(shí)際情況，研發(fā)了五軸動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)手段，依靠快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)大大提高五軸精度檢測(cè)的效率并降低了檢測(cè)成本，為機(jī)床的調(diào)整及維修提供了可靠的數(shù)字依據(jù)。此檢測(cè)手段已被列入周/月度保養(yǎng)范疇，并在加工關(guān)重件前進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)，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：宜賓市普什航空事業(yè)部 周凱  ，原標(biāo)題：《五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的快速檢測(cè)方案》。