明子棣

（上海飛機制造有限公司，上海 200436）

0 引言

目前，五軸數(shù)控機床已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等多個領(lǐng)域，極大地提高了生產(chǎn)效率和零件精度，特別是對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面零件。因此，如何在使用過程中檢測與調(diào)整五軸數(shù)控機床的精度，成為了一個越來越重要的課題。

1 五軸數(shù)控機床的精度

對于五軸數(shù)控機床來說，除了常見的幾何精度、定位精度以外，還包括機床的RTCP（Rotated Tool Center Point，旋轉(zhuǎn)刀具中心點）精度。其中幾何精度反映的機床主要機械零部件的幾何形狀與安裝完成后相對位置的誤差。定位精度是指機床運動部件在運動時達(dá)到的實際位置與理論位置的誤差。數(shù)控機床的幾何精度和定位精度對最終的加工精度有很大影響，更是調(diào)整RTCP精度的基礎(chǔ)。

2 五軸數(shù)控機床幾何精度與定位精度的檢測與調(diào)整

在檢測機床精度前，應(yīng)先讓機床進(jìn)行熱機，使其達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)下開始檢測。因為冷機熱機之間精度存在一定差異，特別是對于大型數(shù)控機床。同時機床的幾何精度應(yīng)一次完成檢測，因為幾何精度之間相互影響，如針對某項指標(biāo)調(diào)整后會引起其他指標(biāo)的變化。

對于機床幾何精度的檢驗，通常采用直尺、方尺、角尺、芯棒、百分表等工具進(jìn)行檢驗，主要檢測項目包括機床臺面的水平度、各軸之間的垂直度與平行度，主軸的跳動精度等。幾何精度要求一般按照機床的出廠標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

在機床幾何精度達(dá)到要求后再對定位精度進(jìn)行檢測，現(xiàn)在直線軸一般采用激光干涉儀檢測定位精度。用激光干涉儀檢測定位精度的方法如下。

（1）安裝激光干涉儀并校準(zhǔn)光路；

（2）根據(jù)機床補償數(shù)據(jù)編制測量計劃并進(jìn)行編程；

（3）輸入激光干涉儀測量參數(shù)；

（4）輸出測量結(jié)果并生成定位精度與重復(fù)定位精度報告。

一般來說定位精度標(biāo)準(zhǔn)按VDI/DGQ 3441—1977或ISO 2302—2006執(zhí)行。對于回轉(zhuǎn)軸的定位精度與重復(fù)定位精度可以用激光干涉儀組件中的旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行測量，也可以采用角擺檢查儀或激光跟蹤儀進(jìn)行檢測。其中前者需要專用工裝來安裝在被測軸的回轉(zhuǎn)中心上，后者使用起來相對方便，只需安裝在主軸上即可。

影響定位精度的主要因素有傳動部件間隙、位置反饋元件、螺距誤差補償數(shù)據(jù)等。其中傳動部件間隙及位置反饋元件的安裝位置靠機械調(diào)整，螺距誤差補償數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中調(diào)整。本文主要針對西門子840D及840D SL系統(tǒng)進(jìn)行說明。

阿里巴巴董事局主席馬云在香港舉辦的“一帶一路：由香港進(jìn)”論壇上表示，“未來中國有三大主要的機會：市場化、內(nèi)需提升和經(jīng)濟(jì)全面數(shù)據(jù)化。中國有獨一無二的優(yōu)勢來抓住這些機會?！?/p>

（1）840D及840D SL中主要相關(guān)的參數(shù)。32450 BACKLASH 反向間隙，單位mm；32700[e]ENC_COMP_ENABLE，1表示在回參考點后激活螺距補償，0表示未針對測量系統(tǒng)激活螺距補償；34090[e]REFP_MOVE_DIST_CORR參考點偏移/絕對偏移，單位 mm；38000[e，AXi]MM_ENC_COMP_MAX_POINTS，絲杠螺距誤差補償點數(shù)量，修改后會輸出6020報警，需PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）備份再回裝后生效。

（2）補償文件內(nèi)容的參數(shù)。$AA_ENC_COMP[e，n，AXi]=〈補償值〉，補償值；$AA_ENC_COMP_STEP[e，n，AXi]=〈間隔〉，插補點間隔；$AA_ENC_COMP_MIN[e，n，AXi]=〈軸實際值〉，起始位置；$AA_ENC_COMP_MAX[e，n，AXi]=〈軸實際值〉結(jié)束位置；以上[e]為編碼器索引：0，編碼器 1；1，編碼器 2。[n]插補點索引：0，第一插補點；1，第二插補點；2，第三插補點等。[AXi]軸名稱：AX1至AX31，可以使用預(yù)定義的通用機床軸名稱AX1～AX31，或使用MD 10000：AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[..]的實際軸名稱

（3）西門子補償?shù)牟襟E。定義起始點和結(jié)束點→定義插補點之間的間隔→根據(jù)起始點、結(jié)束點、間隔計算插補點數(shù)，修改MD38000→保存 NC（Numerical Control，數(shù)控系統(tǒng)）數(shù)據(jù)[PLC 備份]→讀入NC數(shù)據(jù)（裝載PLC備份）→MD32700=0→讀出螺距補償數(shù)據(jù)→具有補償0的參考點→用儀器測量出誤差數(shù)據(jù)→編輯螺距補償數(shù)據(jù)→讀入螺距補償數(shù)據(jù)→MD 32700=1→NCK（NC Realtime Kema，西門子的數(shù)控實時操作系統(tǒng)）復(fù)位→回參考點→在Diagnosis（診斷）菜單中檢查補償是否生效

在對回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定位精度補償時，需先校正回轉(zhuǎn)軸（A，B（C））的絕對零點位置，校正回轉(zhuǎn)軸絕對零點位置的方法是在RTCP功能關(guān)閉的情況下用芯棒進(jìn)行檢測，然后將誤差值在MD34090原值上進(jìn)行加減進(jìn)行補償，補償完畢后需回參考點后再次進(jìn)行校驗。

3 RTCP精度的檢驗與調(diào)整

RTCP精度是五軸聯(lián)動機床的重要精度指標(biāo)，直接影響最終的加工精度。在五軸加工中，追求刀尖點軌跡及刀具與工件間的姿態(tài)時，由于機床誤差，數(shù)控系統(tǒng)控制點往往與刀尖點不重合，因此數(shù)控系統(tǒng)要自動修正控制點，以保證刀尖點按指令既定軌跡運動。下面針對雙擺頭的機床結(jié)構(gòu)進(jìn)行RTCP的精度分析。RTCP精度是一個綜合的空間精度，影響RTCP精度的主要因素有：機床各軸的定位精度和重復(fù)定位精度，機床各軸的的加速度，RTCP的中心點長度，回轉(zhuǎn)坐標(biāo)的絕對零點位置誤差，RTCP機械偏心誤差等[1]。

（1）RTCP的檢驗方法。將球頭檢棒裝在主軸上，在刀具參數(shù)中輸入球頭檢棒的長度（注意減去球頭半徑），在A0C0位置將百分表頂在球頭檢棒正下方，開啟RTCP功能，依次旋轉(zhuǎn)到A0C0→A90C0→A90C90→A90C180→A90C270→A90C360→A-90C0→A-90C90→A-90C180→A-90C270→A-90C360，若機床行程不夠則根據(jù)實際情況進(jìn)行檢測，注意觀察旋轉(zhuǎn)過程中百分表讀數(shù)的變化，一般RTCP要求是0.04 mm。

（2）RTCP的調(diào)整方法。校正定位精度和重復(fù)定位精度→校正機床回轉(zhuǎn)軸絕對零點位置→校正機床的RTCP的中心點長度→校正RTCP機械偏心的補償。

其中校正定位精度和重復(fù)定位精度與校正機床回轉(zhuǎn)軸絕對零點位置的步驟見上文內(nèi)容。中心點長度及機械偏心誤差示意見圖1。RTCP的中心點長度BL的測量方法：機床在A角0°度時安裝長度已知的芯棒，記錄此時的Z軸的數(shù)值Z1及壓表值，然后將A角旋轉(zhuǎn)到90°，移動Z軸使芯棒壓表值與剛剛一致，記錄此時Z軸的數(shù)值Z2，則BL=Z1-Z2+芯棒半徑。

圖1 中心點長度及機械偏心誤差

（3）RTCP機械偏心值的測量及補償方法。①Hv，實際刀具軸線與A角軸線的誤差值，測量方法為：關(guān)閉RTCP功能，將A軸旋轉(zhuǎn)到90°，百分表下母線拉平，記錄此時Z軸的坐標(biāo)值ZH1與壓表值，再將A角旋轉(zhuǎn)到-90°，百分表下母線拉平，移動Z軸使芯棒壓表值與剛剛一致，記錄此時Z軸的數(shù)值 ZH2，則 Hv=（ZH1-ZH2）/2，將這個誤差值修正到原補償值里面。②Xz，RTCP開啟時刀具的軸線與A/C頭旋轉(zhuǎn)中心在X軸方向上的誤差值，測量方法為：開啟RTCP，旋轉(zhuǎn)到A0C0位置，將百分表放在X軸方向的芯棒側(cè)母線上，然后旋轉(zhuǎn)C到180°，將誤差值的一半修正到原補償值里面。③Yz，RTCP開啟時刀具的軸線與A/C頭旋轉(zhuǎn)中心在Y軸方向上的誤差值，測量方法為：開啟RTCP，旋轉(zhuǎn)到A0C0位置，將百分表放在Y軸方向的芯棒側(cè)母線上，然后旋轉(zhuǎn)C到180°，將誤差值的一半修正到原補償值里面。

在以上補償完畢后也需再次校驗RTCP精度是否達(dá)到要求。