于春明 劉 波

(沈陽機床(集團)設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110142)

雙擺角銑頭是五軸數(shù)控機床的核心功能部件［1］， 直驅式雙擺角銑頭因其“零傳動”［2－3］的結構特點而成為雙擺頭的主要發(fā)展方向。由于雙擺角銑頭自身便擁有五軸中的兩個軸，且集成了切削主軸，因此3個軸線之間的空間相對位置偏差直接影響整個雙擺角銑頭的幾何精度，從而影響RTCP精度。以力矩電動機直驅式A軸可自動交換的A/C軸雙擺角銑頭和西門子840D操作系統(tǒng)為例，簡述雙擺角銑頭的幾何精度檢測和RTCP的精度補償過程。

1 雙擺角銑頭的幾何精度

雙擺角銑頭的旋轉軸線包括繞X軸旋轉的A軸，繞Z軸旋轉的C軸和切削主軸S軸。從幾何原理上分析擺頭自身的精度，它包括各軸之間的角度誤差和偏移誤差以及主軸本身的旋轉誤差。具體如下:(1)A/C軸在XZ面內(nèi)的角度誤差和在YZ面內(nèi)的位置誤差。(2)A/S軸在XZ面內(nèi)的角度誤差和在YZ面內(nèi)的位置誤差。(3)C/S軸在A軸零度位置，XZ面內(nèi)的角度誤差，XY面內(nèi)的位置誤差。以A/C兩軸為例來說明角度誤差和偏移誤差的具體含義，如圖1所示。A/C軸之間的角度誤差為α，位置誤差為S。(4)切削主軸的徑向跳動和主軸錐孔的端面跳動誤差。(5)C軸與XY平面的垂直度。

擺頭最終要安裝到滑枕上，因此對于整機而言，還要滿足C軸與XY平面的垂直度要求。

因此可以將雙擺角銑頭幾何精度檢測細化為9個檢測項目，但是主軸軸線S與C軸的角度誤差是由A軸與C軸之間的角度誤差和A軸與主軸S之間的角度誤差間接控制的，可以不作為精度檢測項目，因此雙擺頭的幾何精度檢測對實際裝配調試有指導意義的只有8項指標。依次定義代號如下:G1為主軸錐孔軸線的徑向跳動;G2為主軸軸頸的徑向跳動和端面跳動;G3為主軸軸線S與A軸旋轉軸線的垂直度;G4為主軸軸線S與A軸旋轉軸線在同一平面內(nèi)的相交度;G5為主軸軸線在垂直于水平位置與C軸旋轉軸線的重合度;G6為A軸旋轉軸線與C軸旋轉軸線的垂直度;G7為A軸旋轉軸線與C軸旋轉軸線在同一平面內(nèi)的相交度;G8為C軸旋轉軸線對XY面的垂直度。

2 各軸之間的角度誤差補償

軸與軸之間的空間位置關系包括位置和角度誤差，其中角度誤差要通過機械調整的方法來進行精度補償。具體的角度誤差的調整方式如下所述。

2.1C軸旋轉軸線對XY面的垂直度(G8)

如圖2所示，首先將C軸安裝在滑枕內(nèi)，將指示器固定在C軸上，千分表打在工作臺上，旋轉C軸，觀察指示器讀數(shù)，通過磨削調整墊來控制C軸與XY面的垂直度，以達到精度要求。這是雙擺頭裝配的第一步，校準基準軸C軸的位置。

然后將可交換的A軸部件裝到C軸上，進行A軸和C軸零點的第一次預置。具體設置方法詳見下一節(jié)的零點位置補償。

2.2 A軸旋轉軸線與C軸旋轉軸線的垂直度(G6)

如圖3，鎖定X軸，指示器固定在工作臺上，A軸分別處于90°和－90°位置，指示器測頭與檢棒的側母線最高點接觸，分別在A軸的兩個位置讀取數(shù)值，旋轉C軸角度位置，使指示器處于左右位置時讀數(shù)相等，并將指示器調零，然后在檢棒上的接觸點做標記。

旋轉A軸到0°位置，指示器保持位置不動，移動擺頭Z軸和Y軸，使指示器測頭重新接觸，讀取數(shù)值。將C軸旋轉180°重復以上步驟，將兩次的數(shù)值取平均與A軸到測量點之間的距離相除，則為A軸與C軸的角度偏差。如果不滿足精度要求，則如圖4所示磨削A軸與C軸之間的調整墊來進行調整，直到滿足精度要求。

2.3 主軸軸線S與A軸旋轉軸線的垂直度(G3)

如圖5所示，分別在A軸90°位置，C軸0°位置和A軸 －90°位置，C軸 180°位置，將指示器固定在工作臺上，測頭與檢棒側面母線最高點接觸，沿著Y軸方向移動擺頭，在檢棒根部和距離根部300 mm處讀取檢測數(shù)值，若不滿足A軸和主軸S之間的角度偏差要求，則通過磨削主軸與主軸箱安裝結合面處的調整墊來進行補償，直到滿足要求。

至此，C軸軸線、A軸軸線和主軸軸線S之間的角度偏差通過機械調整方式全部調整完畢。

3 RTCP與各軸之間的位置偏差補償

RTCP是繞刀具中心點轉動(Rotation Tool Center Point)的英文縮寫。如果有RTCP功能，AC軸旋轉時，數(shù)控系統(tǒng)將使刀具中心始終保持在一個固定的XYZ位置上，為了保持這個位置，轉動軸線的每一個動作都會被XYZ的一個直線位移所補償，否則刀具中心將會隨著軸線的轉動而產(chǎn)生位移［4］。

因此擺頭軸線之間的位置誤差能夠通過RTCP功能，以電氣補償?shù)姆绞絹磉M行精度的控制。

下面以西門子840D系統(tǒng)為例闡述雙擺角銑頭電氣補償?shù)姆椒ê筒襟E。影響RTCP精度的主要因素有機床各軸的定位精度和重復定位精度，RTCP的中心點長度，RTCP的機械偏心補償，回轉坐標的絕對零點位置等。

3.1 RTCP的中心點長度

如圖6，L1為刀具長度，L2為主軸鼻端到A軸回轉中心的長度，L3是 RTCP的中心點長度，是RTCP的主要系統(tǒng)參數(shù)之一，此數(shù)值要補償?shù)较到y(tǒng) MD24550［2］中。

3.2 回轉軸的絕對零度位置

A軸零點設定:如圖7所示，在YZ面內(nèi)，鎖定Y軸，指示器固定在工作臺上，將測頭觸及檢棒表面最高點，移動Z軸300 mm，讀取兩次讀數(shù)之差;C軸旋轉180°，重復以上步驟，調整A軸角度，使兩側讀數(shù)差值相等，此位置設為A軸零點。如果A軸采用絕對編碼器則通過MD34210設置零點，如果采用增量編碼器則通過MD34090設置零點位置。

C軸零點設定:如圖8所示，A軸旋轉至90°位置，指示器固定在工作臺上，指示器測頭與檢棒側面最高點接觸，讀取數(shù)值，固定指示器，將A軸旋轉至－90°位置，再次用指示器測頭接觸檢棒側面最高點讀取數(shù)值，調整C軸角度位置，使指示器在兩側的讀數(shù)相等，此時A軸垂直于Y軸，此位置為C軸零點位置。如果C軸采用絕對編碼器則通過MD34210設置零點，如果采用增量編碼器則通過MD34090設置零點位置。

3.3 定位精度和重復定位精度補償

關于雙擺角銑頭A/C軸定位精度和重復定位精度的檢測，目前有兩種方法，一種是以激光干涉儀檢測［5］，另一種是用正多面體來檢測。下面通過圖示來說明正多面體的檢測方法。檢測設備:正36面體，光電子準直儀。A軸定位精度和重復定位精度檢測，如圖9。

將正多面體與A軸旋轉軸連接，光準直儀固定在工作臺上，記錄角度偏差數(shù)據(jù)，分析工具可以使用雷尼紹的分析軟件，如不滿足要求則要進行定位精度補償。C軸定位精度和重復定位精度檢測，如圖10所示，將A軸調整至0°位置，此時C軸和主軸軸線同軸，將正多面體固定在主軸刀柄端，與主軸軸線同軸，分析測量方式與A軸相同。

3.4 RTCP的偏心補償

(1)主軸軸線S與A軸旋轉軸線在同一平面內(nèi)的相交度(G4)

如果可能，鎖緊Z軸。A軸旋轉至90°，C軸0°位置，指示器固定在工作臺上，測頭觸及檢驗棒下表面母線位置并調零。開啟RTCP功能，將C軸旋轉至180°，同時A軸旋轉至－90°位置，讀取數(shù)值。

指示器讀數(shù)差值的一半即為A軸和S軸的位置誤差。將此值補償?shù)組D24550［1］中。

A/C軸回零，重復以上步驟直到所得數(shù)值滿足精度要求為止。

(2)主軸軸線在垂直于水平位置與C軸旋轉軸線的重合度(G5)

將A、C軸回零點，開啟RTCP功能，測頭在XZ面內(nèi)觸及主軸外表面最高點，C軸每90°旋轉一次，旋轉4次，讀取數(shù)值，將0°與180°的讀數(shù)差值的一半作為A軸與主軸位置誤差在X方向的投影所得的數(shù)值，將90°與270°的讀數(shù)差值的一半作為A軸與主軸位置誤差在Y方向的投影所得的數(shù)值。然后分別對應X、Y方向將數(shù)值補償?shù)较到y(tǒng)的MD24560［0］和 MD24560［1］中，補償后重新回零操作，重復以上步驟，直到所測的數(shù)值滿足精度要求為止。

整個調整過程和補償過程，G3、G6、G8參與了軸線之間角度偏差的機械補償;G4、G5參與了RTCP精度補償，而G7項沒有參與任何一個調整和補償過程。

(3)A軸旋轉軸線與C軸旋轉軸線在同一平面內(nèi)的相交度G7項的存在必要性

G7項是軸線之間的位置偏差，屬于電氣補償?shù)捻椖俊５荊7項是由G4和G5項間接控制的，它們形成一個尺寸封閉環(huán)。雖然G7項在電氣補償中沒有用到，但是對裝配精度有一定的參考和指導作用。

4 結語

以力矩電動機直驅式A軸可自動交換的A/C軸雙擺角銑頭和西門子840D操作系統(tǒng)為例闡述了擺頭的幾何精度及調整補償過程。雙擺角銑頭的幾何精度一共有8項要求，包含了銑頭各軸軸線之間的空間位置關系和切削主軸自身的精度要求。從整個裝配和精度控制過程的分析可知，軸線之間的角度偏差通過機械補償?shù)姆绞竭M行精度調整，且要優(yōu)先于電氣補償?shù)牟糠?然后進行A軸和C軸的定位精度補償，軸線之間的位置偏差的電氣補償要放在最后來進行，從而達到RTCP精度要求。整個幾何精度檢驗及補償過程，不僅機械補償和電氣補償有嚴格的先后順序要求，各補償部分也有詳細的操作規(guī)范和技術要求，一切檢測程序都按照國家標準進行操作。

［1］楊慶東，王科社，劉國慶.銑頭式機床創(chuàng)新設計建模方法研究［J］.中國機械工程，2007，18(6):665 －667.

［2］高平，王科社.直接驅動數(shù)控銑床雙擺頭研究［J］.機床與液壓，2007，35(4):71 －72.

［3］高平，孫江宏.零傳動萬能自動鏜銑頭研究［J］.機械工程師，2006(6):64－65.

［4］林超青.淺析數(shù)控機床RTCP精度的檢測和校正方法［J］.昌河科技，2007(1):9 －15.

［5］蔡春剛，任志輝，李東旭，等.擺角銑頭的動態(tài)誤差與補償技術［J］.制造技術與機床，2011(11):105－106.