雙軸轉臺分度誤差檢測與辨識技術*

高秀峰 孫 璐

(①沈陽機床(集團)設計研究院有限公司，遼寧沈陽110142)(②沈陽鐵路局沈陽通信段，遼寧沈陽110020)

雙軸轉臺的分度誤差嚴重影響復雜工件的加工精 度，因此，對雙軸轉臺的分度誤差進行檢測與辨識，對提高雙軸轉臺的加工精度具有重要的意義［1-2］。機床回轉軸分度誤差的傳統檢測方法，通常是使用正12面或24面多棱鏡作為標準器，并配以1″自準直平行光管進行分度誤差檢測，檢測過程不僅非常繁瑣，而且存在檢測精度低、受環境影響大、檢測重復性差等缺點［3］。近年來，隨著激光檢測技術的快速發展，激光干涉儀被越來越多地應用到機床回轉軸分度誤差的檢測中［4-5］，并取得了非常顯著的實際應用效果。

1 雙軸轉臺誤差分析

雙軸轉臺配置在三軸機床上便可以構成五軸機床。但雙軸轉臺的配置形式有多種，可以直接安裝在固定床身上，或安裝在移動工作臺上，除此之外，還可以作為機床附件安裝在三軸機床上，使用時可以自由拆卸。以我公司自行研發的小規格五軸聯動加工中心為例，來分析雙軸轉臺的各項誤差。如圖1所示，雙軸轉臺包括圍繞Z軸旋轉的C軸以及圍繞X軸旋轉的A軸，C軸與A軸的聯動可以帶動工件實現任意角度加工。

雙軸轉臺理論幾何精度應當為，A軸軸線與C軸軸線垂直并相交。但由于零部件加工誤差以及裝配誤差，導致雙軸轉臺裝配完成后，A軸軸線與C軸軸線之間存在一定的位置誤差、角度誤差以及分度誤差。而當雙軸轉臺安裝在三軸機床上后，兩者之間又存在一定的位置誤差、角度誤差，所有誤差如表1所示。

表1 雙軸轉臺與五軸加工中心誤差表

表1中省略了三軸機床的內部各項誤差，δxAM表示A軸軸線與機床在XM方向產生的位置誤差，其他位置誤差符號含義與此相同。αAM表示A軸軸線與機床圍繞XM軸方向產生的角度誤差，其他角度誤差符號含義與此相同。

在上述各項誤差中，分度誤差與位置誤差以及角度誤差相對而言比較特殊，該誤差并沒有同其他各項誤差耦合在一起，因此，分度誤差可以直接利用激光干涉儀等檢測手段進行檢測與補償。

2 利用激光干涉儀對雙軸轉臺分度誤差進行檢測與辨識

2．1 Renishaw激光干涉儀回轉軸測量系統檢測原理

Renishaw激光干涉儀回轉軸測量系統如圖2所示，包括激光頭、角度干涉鏡、角度反射鏡、RX10回轉基準分度器、安裝板、電腦、打印機、RX10控制器/電源以及被測的回轉軸等。

如圖3所示，激光頭的輸出光束被角度干涉鏡中包含的分光鏡分裂成兩束平行光束。一部分光束(A1)直接通過干涉鏡，并從角度反射鏡的某一半反射回激光頭。另一部分光束(A2)通過角度干涉鏡的角度分光鏡，傳到角度反射鏡的另一半，角度反射鏡使光束通過干涉鏡返回到激光頭。隨著角度反射鏡的轉動，返回光束中將產生移動性干涉條紋，這些條紋最終被位于激光頭內部的光檢測器檢測到，通過比較光束A1與A2之間的光程差，軟件根據該數據計算出回轉軸的分度誤差。

2.2 回轉軸測量系統的安裝

在雙軸轉臺A軸與C軸分度誤差檢測之前，首先將RX10控制器與激光頭連接至計算機，并做好檢測前的相關檢查與調試。

在檢測A軸分度誤差時，如圖4所示，先將A軸左殼體拆卸掉，然后將RX10回轉基準分度器與安裝板一同安裝在A軸旋轉軸上，為了保證檢測精度，應當保證兩者的同軸度小于0.5 mm。因此，專門設計一種過渡連接元件，該零件有經過精密加工的圓柱表面，安裝時可將該表面裝入A軸旋轉軸的圓柱止口中。在檢測C軸分度誤差時，如圖5所示，將RX10回轉基準分度器與安裝板一同安裝在工作臺面上的中心孔中，同樣應當保證兩者的同軸度小于0.5 mm。

2.3 雙軸轉臺旋轉軸分度誤差檢測

在RX10回轉基準分度器安裝完成后，將被測回轉軸旋轉至零位，并把角度反射鏡安裝到RX10回轉基準分度器上。調整激光頭和角度鏡組，讓激光通過角度干涉鏡到達角度反射鏡并回到激光頭接收孔。再連接RX10控制盒和2根數據線，運行“回轉軸分度精度測量”進行測量設置。待進入校準界面時，首先進行“分度器定位”(順時針或逆時針皆可)，出現“分度器已定位”提示后，分別檢查“鎖定”和“解鎖”2個狀態光強是否滿足測量要求。然后點擊“開始校準循環”，等待RX10回轉基準分度器校準。校準結束后，試運行檢測程序判斷測試方向是否一致，若不一致可以通過校準界面中正負號轉換按鈕進行轉換。在檢測起點清零后，開始采集數據。測量值步幅小于10°時檢測轉速為10 r/min，測量值步幅大于10°時檢測轉速為2 r/min。每段停止時間為6～8 s或更長的時間。數據采集完成后，可以將數據輸入到數控系統中進行分度誤差補償。操作流程如圖6所示。

2.4 分度誤差數據修正

如圖7所示，Renishaw回轉軸測量系統在測量回轉軸分度誤差時，通過測量兩束平行激光束的光路長度變化來計算分度誤差。隨著反射鏡的轉動，返回光束中產生移動性干涉條紋，當反射鏡靜止不動時，這些條紋保持不變，光檢測器檢測到穩定的激光強度。當進行分度誤差測量時，反射鏡轉動與條紋計數之間沒有嚴格的線性關系。在角度很小時，二者之間接近線性關系;但隨著角度θ的增大，二者逐漸偏離線性關系。標定軟件通過反正弦計算對其進行修正，把線性條紋計數器數值轉換成真實的角度讀數，然后再計算分度誤差。分度誤差校正公式為

式中:R為激光干涉儀的讀數。

3 結語

以我公司自行研發的小規格五軸聯動加工中心為例，分析了雙軸轉臺的各項誤差。雙軸轉臺內部共包括一項位置誤差、一項角度誤差以及兩項分度誤差。簡單介紹了Renishaw回轉軸測量系統的構成、工作原理，并詳細說明了利用該系統檢測A軸與C軸分度誤差的方法。利用該方法在我公司的五軸聯動加工中心樣機上對雙軸轉臺進行分度誤差檢測，實踐證明該方法具有檢測精度高、檢測重復性好、檢測效率高等優點。

［1］王民，胡建忠，昝濤，等.五軸數控機床運動誤差建模與測試技術［J］.北京工業大學學報，2010，36(4):432-439.

［2］Masaomi Tsutsumi，Akinori Saito.Identification of angular and positional deviations inherent to 5-axis machining centres with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements［J］.International Journal of Machine tools＆Manufacture，2004(44):1333-1342.

［3］張立新，黃玉美，楊心剛，等.回轉軸運動精度的干涉測量與誤差補償分析［J］.傳感技術學報，2007，20(3):686-689.

［4］唐進元，龍云澤.數控弧齒錐齒輪磨齒機回轉軸定位誤差檢測及補償研究［J］.機械傳動，2010，34(6):5-8.

［5］姜孟鵬，黃筱調，王華，等.極坐標數控銑齒機回轉臺運動精度干涉測量［J］.組合機床與自動化加工技術，2010(3):30-33.