五轴机床动态精度的好坏直接影响航空零件的产品质量和生产效率，通过研发五轴动态精度的快速检测方案，以最简便方法和最低成本实现对机床精度的快速检测验证，达到实现产品优质、高效生产的目的。

 

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五轴机床为多轴高精密数控设备，当前已大量运用于航空航天、风电和核电等高端制造领域，由于机床结构复杂且机械精度要求高五轴机床的动态精度检测和调整一直是业内讨论的热点，并成为直接影响产品质量和生产效率的重要因素之一。

 

常规的五轴精度检测分为机械静态检测和动态检测。静态检测主要是对机床的几何和位置精度的测绘，主要测量项点是机床空载情况下基础运动构件和运动轴相互的垂直度、直线度、平面度、圆跳动、重复定位和反向间隙等运动精度（见图１）。实践中运用水平仪、大理石方箱、千分表和标准棒等工具对机床主要运动部件的单一运动精度进行检测，其反映了机床在未承受任何切削载荷状态下各运动部件独立的状态表现。动态检测是机床在运行过程中各主要运动机构的综合精度表现，通过动态检测可以直接验证五轴机床各运动部件将静态精度转变为动态运动后的机械精度状态，这种状态最贴近于实际生产中五轴机床反映出来的综合机械性能也是影响产品质量和效率的重要因素。

图1　五轴联动加工中心

1.研发五轴快速动态检测的背景

 

传统的五轴动态检测手段都是依靠红外线激光设备（见图２）对机床的单一运动轴进行实时运动检测，检测前清除各运动轴的实际补偿值再通过机床重复定位运动对各轴进行分段变速检测，在ＴＮＣ控制系统下可以将被测数据在线输入机床控制系统并自动生成补偿代码值进行机械间隙补偿。

 

但此检测手段成本高、用时长，且无法侦测机械结构在负载状态下的综合运动精度，因此如何快速检测五轴动态精度将现有五轴设备生产力最大化释放，成为各航空制造企业的重要难题之一。

 

图２　传统五轴动态检测手段

 

2.五轴快速检测方案细解

 

在竞争激烈的航空制造市场的推动下，利用五轴机床固有的补偿功能配合精度球、千分表、宏程序和椭圆试块可实现快速准确的五轴动态检测。功能为的简称，又名刀具自动补偿功能，原理是通过控制系统对五轴旋转点到装刀点的距离＋实际的刀具长度（见图３）进行多角度空间数学运算来实现将编程控制点转化为实际刀具切削接触点的过程。

图３　ＲＴＣＰ原理示意图

 

五轴机床必须依据ＲＴＣＰ功能才能正确地进行多轴联动切削运动，假设忽略机械硬件的误差问题五轴机床的实际运行轨迹和计算机编程（ＣＡＭ）的ＮＣ代码轨迹完全一致，所以将功能纳入检测方案中目的就是动态检测时能完全准确地追踪五轴联动时机械运动机构的理论轨迹，精准快速地达到检测目的。

 

具体实施方案如下：

 

1） 调整五轴机床静态精度（静态精度为动态精度的基础），此项调整周期用时很长通常在年度二级保养时已测绘补偿到位，在动态检测前只需对主轴圆跳动、Ｘ／Ｙ／Ｚ／Ａ／Ｃ轴的反向间隙和Ｃ轴极限回转误差用百分表进行复测不再运用激光干扰器进行精度调整。

 

2）定制 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ的测量球（见图４），要求球形直径和圆度公差≤０.００５ｍｍ，表面粗糙度值Ｒａ＜０.８μｍ，镜面，避免硬件误差对动态检测结果的影响。

图4　测量球

 

3）利用精度标准棒校对五轴头固定旋转补偿值（见图５），此数值在机床出厂时已经测绘输入参数表，由于机床在长时间使用和维修过程中可能会造成补偿值的变化，所以校对其值的正确性是必须的。

 

图5　校对五轴头固定旋转补偿值

如图５所示以标准棒中心设立坐标系，将千分表按图放置，以标准棒最大外径压表０.１ｍｍ～后刻度归零（压表过程中注意排除Ｘ轴机械间隙）；手动移动Ｘ轴至安全位置，如图所示旋转Ａ轴至90度后再将主轴端面压表对零这时Ｘ轴在设定坐标系中的位移值即为实测值；计算五轴头补＝实测值－标准刀长（150ｍｍ）－标准棒半径（25ｍｍ）。注意：在头补复测时应全程取消五轴刀具补偿功能。

图6　五轴头补测量示意

4）实施ＲＴＣＰ动态检测，首先设置动态旋转点，如图７所示要使千分表在固定不动的情况下表头接触点在 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ半球外形上弧线运动，只能选择旋转点作为运动坐标系原点因此先手动找到Ｂ点后再偏置至Ａ点设立检测坐标系。

图7　设立检测坐标系

 

参照图７将刀具实际补偿值减短一个球头半径值（４０ｍｍ）作为检测程序运行时刀具长度补偿（Ｄ０１）值，运行检测宏程序对五轴机床的动态精度进行多角度多轴联动检测（见图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

……

图8　五轴机床动态精度检测

 

5）对五轴动态检测结果进行验证，通过对比分析动态检测结果和试切件三坐标计量结果，误差重合率达96%～98%以上，实践验证五轴动态检测的准确性和可行性。

 

3. 结语

 

本文基于航空制造特点，针对产能大与五轴机床维修率逐年增高的实际情况，研发了五轴动态精度检测手段，依靠快速动态检测大大提高五轴精度检测的效率并降低了检测成本，为机床的调整及维修提供了可靠的数字依据。此检测手段已被列入周/月度保养范畴，并在加工关重件前进行实施检测，成为确保航空产品质量的重要手段之一。

 

本文发表于《金属加工（冷加工）》2019年第11期4-5页，作者：宜宾市普什航空军工事业部 周凯  ，原标题：《五轴机床动态精度的快速检测方案》。