五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差的加工測(cè)試辨識(shí)方法

摘要： 針對(duì)五軸機(jī)床非切削檢測(cè)方法安裝檢測(cè)過程復(fù)雜、檢測(cè)效率低的問題，提出一種通過切削工件快速辨識(shí)機(jī)床回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差的方法。首先建立五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，引入誤差敏感矢量，對(duì)工件進(jìn)行加工測(cè)試，并從工件的加工誤差中辨識(shí)出轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差。工件只需一次安裝即可檢測(cè)出C軸四項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差，準(zhǔn)確可靠，實(shí)施簡(jiǎn)便，效率高。

關(guān)鍵詞：五軸機(jī)床；運(yùn)動(dòng)誤差；辨識(shí)；加工測(cè)試

1.加工測(cè)試

搖籃式五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸的安裝定位誤差直接影響著工件相對(duì)于刀具位置的準(zhǔn)確性。回轉(zhuǎn)軸有三個(gè)直線位移誤差 ， ， 和三個(gè)轉(zhuǎn)角誤差 ， 和 。其中對(duì)機(jī)床加工精度有顯著影響的有：線性位移誤差 、 ，角位移誤差 、 。對(duì)于其余的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行分析可知： 可通過對(duì)刀等程序予以消除， 在回轉(zhuǎn)軸的輸出轉(zhuǎn)角方向上，因此可以忽略不計(jì)。所以，只需檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)軸的四項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差即可。

目前，五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸誤差辨識(shí)多采用非切削測(cè)量方法[1-2]，需要用到專用測(cè)量?jī)x器。這些專用儀器的安裝檢測(cè)過程復(fù)雜，對(duì)檢測(cè)人員技術(shù)要求高，對(duì)各種不同類型的五軸機(jī)床通用性不強(qiáng)。

根據(jù)本文作者前期研究提出的誤差模型[3]進(jìn)行誤差辨識(shí)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(zhuǎn)軸（C軸）轉(zhuǎn)角為0處（+X方向），距離工件中心距離為L(zhǎng)。

1.2加工測(cè)量基準(zhǔn)面

先測(cè)量基準(zhǔn)面，方法如下：

在工件兩側(cè)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(cè)量平面

加工完測(cè)量基準(zhǔn)面后刀具回到加工起始點(diǎn)，以消除運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)被測(cè)量平面切削的影響。在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為0度時(shí)，在工件邊緣沿Y方向切削一平面，切寬為p，切深為h（相對(duì)于第一層），產(chǎn)生交線a。當(dāng)C軸轉(zhuǎn)角為90、180、270度時(shí)，均沿Y方向切削一平面，寬度為p，切深為h（相對(duì)于第一層），分別產(chǎn)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(cè)

以X方向的加工誤差辨識(shí)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(zhuǎn)過180度時(shí)，C軸原點(diǎn)在X方向上的漂移量。

同理，我們可以對(duì)Y方向和Z方向的誤差進(jìn)行辨識(shí)，求得

， ，

由此我們分離出C軸轉(zhuǎn)過180度時(shí)，四項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差的值。

3.誤差辨識(shí)

對(duì)工件第二層切削的垂直面和水平面的中線進(jìn)行CMM檢測(cè)。在每條中線上按一定間隔進(jìn)行測(cè)量。對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合直線。兩擬合直線的實(shí)際距離與理論值的差值就是誤差值。

4.結(jié)論

本文提出了一種基于加工測(cè)試的五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差的辨識(shí)方法，采用誤差敏感方向矢量從已切削工件中識(shí)別運(yùn)動(dòng)誤差，本方法操作簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確可靠，檢測(cè)效率高，可推廣到混合式結(jié)構(gòu)和萬能主軸頭式結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床中。

參考文獻(xiàn)：

[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(jī)床空間誤差的簡(jiǎn)化建模方法.機(jī)械設(shè)計(jì)， 2012.29（10）： p.76-79.

作者簡(jiǎn)介：張亞（1982.1-），男，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。

基金項(xiàng)目：浙江省教育廳科研項(xiàng)目資助（Y201432545）