五軸機床轉臺回轉軸運動誤差的加工測試辨識方法

摘要： 針對五軸機床非切削檢測方法安裝檢測過程復雜、檢測效率低的問題，提出一種通過切削工件快速辨識機床回轉軸運動誤差的方法。首先建立五軸機床轉臺回轉軸的運動學模型，引入誤差敏感矢量，對工件進行加工測試，并從工件的加工誤差中辨識出轉臺回轉軸各項運動誤差。工件只需一次安裝即可檢測出C軸四項運動誤差，準確可靠，實施簡便，效率高。

關鍵詞：五軸機床；運動誤差；辨識；加工測試

1.加工測試

搖籃式五軸機床轉臺回轉軸的安裝定位誤差直接影響著工件相對于刀具位置的準確性?；剞D軸有三個直線位移誤差 ， ， 和三個轉角誤差 ， 和 。其中對機床加工精度有顯著影響的有：線性位移誤差 、 ，角位移誤差 、 。對于其余的運動誤差進行分析可知： 可通過對刀等程序予以消除， 在回轉軸的輸出轉角方向上，因此可以忽略不計。所以，只需檢測出旋轉軸的四項運動誤差即可。

目前，五軸機床旋轉軸誤差辨識多采用非切削測量方法[1-2]，需要用到專用測量儀器。這些專用儀器的安裝檢測過程復雜，對檢測人員技術要求高，對各種不同類型的五軸機床通用性不強。

根據本文作者前期研究提出的誤差模型[3]進行誤差辨識研究，如圖1所示，工件加工的步驟如下：

1.1將工件安裝在初始位置，即：Y軸保持靜止，A軸保持水平靜止，工件放在旋轉軸（C軸）轉角為0處（+X方向），距離工件中心距離為L。

1.2加工測量基準面

先測量基準面，方法如下：

在工件兩側沿Y方向各切削一平面，再沿X方向各切削一平面，寬度為2l，切深為h。切出四條交線a0、b0、c0、d0。a0和c0之間的距離是P0。b0和d0的距離是Q0。

1.3加工被測量平面

加工完測量基準面后刀具回到加工起始點，以消除運動誤差對被測量平面切削的影響。在旋轉軸轉角為0度時，在工件邊緣沿Y方向切削一平面，切寬為p，切深為h（相對于第一層），產生交線a。當C軸轉角為90、180、270度時，均沿Y方向切削一平面，寬度為p，切深為h（相對于第一層），分別產生交線b、c、d。其中，a豎直面和c豎直面之間的水平距離是P，a水平面和c水平面之間的豎直距離是hca。b豎直面和d豎直面之間的距離是Q。b水平面和d水平面之間的豎直距離是hbd。

2.誤差檢測

以X方向的加工誤差辨識為例，說明誤差分離原理如下：

（1）

其中 表示誤差敏感方向在+X方向，正是 所在的方向，通過（1）式，可求出 ，即C軸轉過180度時，C軸原點在X方向上的漂移量。

同理，我們可以對Y方向和Z方向的誤差進行辨識，求得

， ，

由此我們分離出C軸轉過180度時，四項運動誤差的值。

3.誤差辨識

對工件第二層切削的垂直面和水平面的中線進行CMM檢測。在每條中線上按一定間隔進行測量。對采樣點進行最小二乘擬合，得到擬合直線。兩擬合直線的實際距離與理論值的差值就是誤差值。

4.結論

本文提出了一種基于加工測試的五軸機床轉臺回轉軸運動誤差的辨識方法，采用誤差敏感方向矢量從已切削工件中識別運動誤差，本方法操作簡便，準確可靠，檢測效率高，可推廣到混合式結構和萬能主軸頭式結構的五軸機床中。

參考文獻：

[1]S.Bossoni and J.Cupic.Test piece for simultaneous 5-axis machining. Laser metrology and machine performance VIII， 2007.P.24-33.

[2]C. Hong， S. Ibaraki， and A. Matsubara， Influence of position dependent geometric errors of rotary axes on a machining test of cone frustum by five-axis machine tools. Precision Engineering， 2011.35（1）： p.1-11.

[3]張亞，傅建中，陳子辰.搖籃式五軸機床空間誤差的簡化建模方法.機械設計， 2012.29（10）： p.76-79.

作者簡介：張亞（1982.1-），男，機械制造及其自動化專業，博士，研究方向為數控技術。

基金項目：浙江省教育廳科研項目資助（Y201432545）