五轴数控机床的运动精度检测.doc

五轴数控机床的精度检测方法分析摘要：本文首先对五轴数控机床的精度检测技术做了一个简要概括,然后介绍数控机床精度检测的必要性,指出数控机床常见的精度要求与传统检测方法,并介绍先进检测方法和检测仪器、工具,以与各个检测方法的特点.关键词：五轴数控机床；精度检测Precision analysis of detection method of five axis CNC machine toolsAbstract: Firstly,this paper introduces the precision detection technology of five axis NC machine tools, and then introduces the necessity of CNC machine tool accuracy detection accuracy requirements of CNC machine tools, points out the mon and the traditional detection method, and introduce advanced detection method and detection instruments, tools, and the characteristics of each detection method.Key words: Five axis NC machine tool；Precision detection1引言五轴联动数控机床目前已大量用于航空制造等高端制造领域.由于机床复杂的机械结构与控制系统,五轴联动机床加工精度检测与优化一直是机械制造行业内研究的热点和难点,成为影响产品加工质量与效率的关键.对企业来说,购买数控机床是一笔相当大的投资,特别是购买大型机床.实践表明,大多数大型数控机床解体发运给用户安装时,必须在现场调试才能符合其技术指标,因此,在新机床检收时,要进行严格的检定,使机床一开始安装就能保证达到其枝术指标预期使用性能和生产效率.投入生产的数控机床使用一段时间后,必须再进行精度检定.通常新机床在使用半年后需再次进行检定,以后每年检测一次,定期检测机床误差,并与时校正螺距与反向间隙等,可切实改善使用中的机床精度与零件加工质量,提高机床的生产率.2 数控机床精度检测技术研究现状 常用的机床误差测量方法有直接测量法和间接测量法,其中间接测量法,如首先用典型工件试切或试加工,然后再对所试切的工件进行精度检测.但这种方法的测量结果中包括了工艺、刀具和材料等因素在内,虽然可以通过试件的加工精度间接反映出机床的精度,但不能精确地用于指导机床的研发和改进.而直接测量法如用微位移传感器测量装夹在主轴上的圆柱形基准棒或基准球,或者对装夹在工件台面上的基准量块或平尺直接进行测量,这种方法可以直接获得某项误差,但该方法测量效率低,测量的范围<如行程>有限. 目前世界各国对数控机床精度检测指标的定义、测量方法与数据处理方法等都有所不同.国际上有五种精度标准体系,分别为:德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB系列、美国机床制造商协会NMTBA.其中NAS979是美国国家航空航天局在二十世纪七十年代提出的通用切削试件,"NAS试件"是通过检测加工好的圆锥台试件的"面粗糖度、圆度、角度、尺寸"等精度指标来反映机床的动态加工精度.NAS试件已在三坐标数控机床的加工精度检测方面得到了很好的应用,但用NAS试件来检测五轴数控机床的加工精度还存在一些问题.成都飞机工业<集团>于2011年提出了用于检验五轴数控机床的标准试件"S形试件",该试件是由一个呈"S"形状的直纹面等厚缘条和一个矩形基座组合而成,通过检测加工试件的"外形轮廓尺寸、厚度、表面粗糙度"等指标,以与试件上的3条线共99个点的坐标位置来检验五轴数控机床的加工精度,"S形试件"是目前五轴数控机床精度检验通用的检测试件,该试件已于2011年申请美国国家专利,"S形试件"模型图与检测点如图1.1所示.S试件模型图测量方法需根据具体的测量仪器来制订,机床精度提髙的需求也促进了机床精度检测工具的发展.根据检测轨迹的不同,检测仪器可分为圆轨迹运动检测和直线运动轨迹检测.由于机床的圆轨迹运动包含了较多误差信息,因此开发一种用于检测机床轨迹运动的仪器也是国内外学者的研究重点. Heidenhaim公司研制的平面正交光栅<GGET>,既可以检测圆轨迹又可以检测直线轨迹或不规则的异形平面运动.Wei Gao等用光电自准直仪检测主轴偏角的误差,用电容位移测头测出了主轴的轴向跳动误差,用直尺和电容位移测头结合检测出了导轨的直线度误差.用于直线运动轨迹检测的仪器,目前比较常用的有双频激光干涉仪和激光跟踪仪.#交通大学与美国光动公司合作,基于激光多普勒位移测量仪提出了一种沿体对角的机床空间几何误差的激光矢量测量方法,通过分步测量机床工作空间的4条体角线,并结合空间误差综合模型快速分离机床的19项误差.该方法通过添加3个面上的6条对角线,可以实现分离出机床的21项几何误差. 根据国际生产工程协会<CIRP>的预测,至2012年,30%-50%的新机床将配备定位误差、直线度和各种转向误差的补偿功能.随着数控机床使用数量的增加,在使用过程中如何对数控机床精度进行再标定与误差溯源,调整机床以排除故障或对其进行误差补偿,并定期地对数控机床误差进行检测和补偿的需求也会增加.提高机床精度的关键步骤是误差检测,因此快速高效的误差检测方法也成为研究的重点,同时随着多轴数控机床的广泛应用,研究的对象也逐渐向多轴机床转移.3 五轴数控机床的传统精度检测方法五轴机床一般是比三轴机床多两个旋转轴.首先,要对三个直线轴进行检测；其次,是针对两个旋转轴的检测；最后,要对五轴联动性能进行检测.主要包括两个：1三个直线轴的检测方法和三轴铣床一样,所以这里不做叙述.2两个旋转轴的检测因为旋转轴的各项精度对五轴加工精度的影响远远大于三个直线轴精度的影响,所以对五轴机床的检测重点是两个旋转轴的精度.旋转轴的精度包括两个方面：一方面是旋转轴运动的精度,主要要检测每个旋转轴的重复定位精度；另一方面是两个旋转轴相互之间的关系,主要检测两个旋转轴轴线和主轴轴线之间空间几何关系是否正确.4.1 测量旋转轴的重复定位精度方法和直线轴测量方法类似：对于转台类型的旋转轴,在转台上固定一个方块,用千分表接触方块的表面,旋转转台一定角度,再反向旋转转台同样多角度,回到原位,观察两次表针接触方块表面时的表读数是否一致,误差多少如图1；对于摆头类型的旋转轴,在主轴上装上检测用芯棒,用千分表指针接触芯棒来检测如图2.图1 测量转台的重复定位精度 图2 测量摆头的重复定位精度4.2测定两个旋转轴和主轴之间的空间几何关系这项需要按照五轴铣床的类型分为三种情况：1双转台结构的五轴铣床C轴轴线B轴轴线图3为一个双转台结构的示意图,在图中标出了两个旋转轴的轴线,这两根轴线应该如图中那样相交于一点.如果这两个旋转轴的轴线不相交,则要测定出两个轴线的偏心距离. 图3 双转台结构示意图 测定方法如下：先将C轴转台校正,使C轴转台平行于XY平面方法略；再如图4转台最高点转台最高点所示,分别旋转B轴+90°和-90°,测量两个方位下B轴转台侧面最高点的高度差.如果高差为零,则双转台的空间几何关系符合理想情况,如果高差不为零,则B、C轴的偏心量为此高差的二分之一.图4 双转台轴线偏心量测定2转台和单摆头结构的五轴铣床图5为单摆头结构的示意图,图中标出了B轴的轴线和主轴的轴线,这两个轴线应该相交于一点,如果它们不相交,需要测定出它们的距离,即主轴和摆动轴B轴的偏心量.B轴轴线主轴轴线图5 转台和摆头铣床摆头部分结构示意图测定方法如下：先在主轴上装上检测用芯棒,校正B轴,使芯棒主轴轴线垂直于XY平面方法略；再如图6中所示,分别旋转B轴+90°和-90°,测量两个方位下芯棒侧面最低点的高差.如果高差为零,则摆头和主轴间的空间几何关系符合理想情况,如果高差不为零,则主轴和B轴的偏心量为此高差的二分之一.图6 摆头和主轴偏心量测定3双摆头结构的五轴铣床图7为双摆头结构示意图,图中标出了主轴轴线、B轴轴线和C轴轴线.理想情况下,主轴轴线和C轴轴线应该重合,B轴轴线和它们相交.如果这三个轴线不符合这种理想情况,需要测定出它们之间的偏心量.C轴轴线B轴轴线主轴轴线图7 双摆头结构示意图首先,测定B轴和主轴的偏心量,方法和单摆头铣床的测定方法一样.然后,测定C轴和主轴的偏心量,方法如下：如图8左边所示,在工作台上固定一个标准圆柱型,将千分表表座固定在C轴上,表针接触圆柱形侧面,调整机床XY轴的位置,使得C轴旋转时千分表读数不变,这样C轴轴线就和圆柱形的中心重合了,将这个位置机床的X、Y坐标值记录下来；如图8右边所示,先转动B轴,使主轴轴线垂直于工作台XY平面,再在主轴上装上检棒,将表座固定在检棒上主轴上,表针接触圆柱形侧面,调整机床XY轴的位置,使得检棒旋转时千分表读数不变,这样主轴轴线就和圆柱形中心重合了,将这时机床的X、Y坐标值同刚刚记录下来的坐标值比较,差值就是C轴轴线和主轴轴线的X、Y偏心量.图8 双摆头铣床C轴和主轴偏心测定综上所述,双转台铣床的B轴、C轴是结合为一体的双转台,要测定出B、C轴的偏心量；转台和单摆头铣床的B轴和主轴结合为一体,要测定出B轴和主轴的偏心量；双摆头铣床的B轴、C轴和主轴是结合为一体的双摆头,需要测定出B轴和主轴、C轴和主轴的偏心量.三 五轴联动性能的检测五轴联动性能的检测不需要按照五轴铣床的类型来分类.五轴联动性能的检测的目的有两个：一是检测对五轴铣床几个轴之间空间几何关系测定的准确性,二是检测机床数控系统对五轴空间几何关系的补偿功能.五轴联动性能的检测不能通过直接测量来检测,而是通过加工一些标准形状,再测量加工出形状的误差来检测的：一 直线在一个平面上加工一条直线,加工时要求刀轴连续变化,图9中所示就是一种5轴加工直线的刀路,可以尝试用多种刀轴控制方法来加工.加工用材料可以选择较易加工的非金属材料或者有色金属,刀具用球刀.加工好以后,观察直线是否弯曲,如果明显弯曲,则需要重新检测机床各项精度,特别是重新测定两旋转轴和主轴间的偏心关系是否正确.图9 变刀轴加工直线刀路二平面用球刀精加工一个平面,将这个平面分为多段,分别用数个不同角度的固定刀轴和连续变化的刀轴来加工,图10中所示为这些加工刀路.加工好以后,测量这个平面上不同段之间的误差,理想情况下这个平面仍然是平的,如果误差过大,则重新测定两旋转轴和主轴间的偏心关系是否正确.图10 多种刀轴控制方法加工同一个平面三球形用球刀精加工球形,要超过半球,刀轴垂直于球面加工,分别采用沿经线双向加工和沿纬线螺旋加工的方法各加工一个直径相同的球形,加工刀路如图11所示.加工好之后,测量两个球形的直径,和标准值比较误差.如果有条件,还可以测量两个球形的圆度和标准球形的误差值.图11 五轴加工球形的两种刀路以上就是用加工标准形状的方法来检测五轴铣床的五轴联动性能的一种基本方法.总结如下：先加工一条直线,初步判断五轴空间几何关系测定的正确性,同时检测数控系统的补偿功能是否生效.这是一维形状的检测,是最基本的要求,在此基础上才能做下面的检测.再加工一组平面,检测五轴空间几何关系测定的准确性,同时检测数控系统的补偿功能是否设定正确.这是二维形状的检测,比一维形状的检测的要求高一等级,如果检测合格,说明五轴空间几何关系的测定基本准确,同时数控系统基本满足五轴加工的要求.最后,加工球形,进一步检测五轴空间几何关系测定的准确性,同时检测数控系统的补偿功能是否在三维空间做出了正确的运动补偿.这是三维形状的检测,也是最高等级的要求.如果满足了三维形状加工的要求,就可以说这台五轴铣床完全合格,可以胜任生产加工任务了.4 五轴数控机床的先进精度检测方法传统的检测方法和检测工具只是用于精度较低的中小型数控机床,国内各工厂的大型数控机床绝大多数是进口的,均采用高精度的激光干涉仪、球杆仪.如今,通过一系列步骤的直接检测来判断机床的精度,依然是许多机床生产商和使用者的首选方法.单项检测法的测量不确定度很小,结果可信度很高.针对直线轴的比较成熟的检测法如下:4.1 激光干涉仪测量定位误差激光干涉仪测量直线运动轴的定位精度用激光干涉仪测量定位误差,如图所示.由于部分机床的回转轴安装在工作台面以下,其回转轴的运动精度只能在机床装配时进行测量和改善.单项检测法只能实现: 使用激光干涉仪和反射镜组测量回转轴的角度定位精度4.2 球杆仪法球杆仪法是ISO 230-1中推荐的一种方法,1982年,J BBRYAN在美国Lawrence Livermore国家实验室,首先开发出了用于快速检测数控机床运动误差的球杆仪&球杆仪由两个精密金属圆球和一个可伸缩连杆组成,在连杆中间镶嵌着用于检测位移的光栅尺,如图 . 所示&测量时,一个圆球通过磁性钢座固定在工作台上,另一个圆球通过同样的装置安装在主轴上.雷尼绍QC20球杆仪设备球杆仪可以同时动态测量两轴联动状态下的圆运动精度,新式的球杆仪设备可以在一次安装后,依次测量XY,YZ,XZ个平面上的圆轨迹精度.数控机床的垂直度、重复性、间隙、各轴的伺服增益比例匹配、伺服性能和丝杠周期性误差等参数指标都能从圆运动轮廓的半径变化中反映出来.通常,测量周期不超过1h.球杆仪是一维的位移测量,在检测多轴机床时,需要设置复杂的联动方案.一维测量能获得的信息是有限的,从空间三维测量的角度来讲,会遗漏许多关键的误差源信息,球杆仪的安装和调准依然是一项需要较高技术的工作,难以实现机床精度检验的自动化和高效.4.3平面光栅法如图 # 所示,工作台上置有直径140mm、刻有高精度正交栅纹的平面光栅,主轴端装有读数光栅&在平面光栅的有效工作范围内,不论按NC指令执行的工作台与主轴所作的相对运动是规则的圆运动、直线运动或者是不规则的复杂曲线运动,都可通过主轴端的读数头与后续电路直接读出其运动轨迹是否精良的信号,读数分辨率可达5nm.海德汉Heidenhain公司的KGM平面光栅测量系统平面正交光栅法可以通过检测机床直线轴复合轨迹运动< 直线轨迹和圆轨迹的组合> 的轨迹误差,解算出数控机床的3个直线轴的21项运动误差.除了仪器价格较高这一点之外,是当今现场运动精度诊断的首选方法.但平面光栅也存在一定的局限性,因为它的检测都局限在平面上,无法评价五轴机床多轴联动尤其是包含回转轴的联动的空间精度.4.4 R-test方法Rest测量装置由瑞士的S WEIKERT和WKNAPP在2004年发明Cs7,专门针对五轴数控机床的误差测量.Rest装置由一个高精度的标准球<陶瓷或钢>和安装有3个<或者4个>位移传感器的探测头组成.传感器探头的平而与球体表而相互接触,标准球和探测头分别装在主轴端或工作台,如图5所示.机床做多轴联动时,标准球随主轴运动,探测系统随工作台运动,5轴机床可以保证多轴联动时球心和底座的空间相对位置保持不变,即刀具中心点< Tool Center Point>和工件的空间相对位置不变.由于机床几何误差的存在,球体和探测头的相对位置发生微小的偏移,空间3个方向的偏移量被传感器测得.将3个<或者4个>位移传感器的测量结果转换为空间X, Y, Z方向的偏移.此外,ZARCAR-BASHI等提出了一种测量设备CapBall,使用的是非接触式的传感器.日本的Soichi IBARAKI等对R-test系统进行了更加深入的研究图,提出使用非接触式的测量.ISO TC39/SC2己经在讨论收录R-test.IBS精密工程和FIDIA己有商用的类似R-test装置.瑞士的wKNAPP等致力于R-test配合精密球盘的检测研究D n7,数控机床的工作台上装上精密的球盘,然后主轴端安装R-test探测头,机床的直线轴按照NC指令运动,使Rest按照特定的川页序测量球盘.典型的R-test测量装置相对于激光干涉仪,平而光栅和球杆仪,R-test具有着3维位移检测的优势,在一次测量中能获得的信息很多,能够分析五轴机床的大部分误差源.Rest可以配合标准球或者精密球盘等,实现复杂的运动检测,具有很大的潜力,是当今机床精度研究的热点.作者所在课题组正在致力于R-test装置的原理和结构设计,会有陆续的研究成果展示.5 结束语 对于集机、电、液、气于一体的大型数控机床的验收,无论是预验收,还是终验收,都十分重要,它直接关系到机床的功能、可靠性、加工精度和综合加工能力.验收时必须对机床的几何精度、位置精度与工作精度全面检测,采用的手段和检测仪器、工具应尽量先进,只有这样才能保证大型数控机床的工作性能.致谢 感谢教授对本工作的大力支持,在此表示感谢！参考文献:1 喻允风.大型数控机床精度检测的探讨.J.机械研究与应用.<2008>04010903.2 韩鸿鸾.数控机床的结构与维修M.:机械工业,2004.3 李蓓智,杨永金,杨建国,等.精密微位移工作台的设计与性能分析J.机械设计与研究,2008,24<4>:41-424 樊曙天,杨伟平双转台五坐标机床RTCP功能的研究J.制造技术与机床,2009<12>:74775 张云.一种基于RTCP 功能的五坐标动态精度检测工具J.工艺与检测,<2012>1211286 彭志军,刘大炜,宋志勇.一种五轴联动机床动态精度检测与优化方法.国家科技重大专项.<2010ZX04016 011>7 陈东菊.大型立式超精密机床系统误差分析与辨识技术研究D.:哈尔滨工业大学,2010.8 梁铖,刘建群.五轴联动数控机床技术现状与发展趋势J.机械制造.2010:5-7.9 桂芬,李红军,龙泉江.试谈机床精度对机床加工精度的影响J.中国科技博览.2011<10>:25.10 Bryan J B. A simple method for testing measuring machines and machine tools Part 1: Principles and applicationsJ. Precision Engineering. 1982,4<2>: 61-69.11 阳红.龙门加工中心动态热误差产生机理与补偿技术研究D.成都:四川大学,2012.6 / 6