五軸數控機床精度調整測試分析與研究

明子棣

（上海飛機制造有限公司，上海 200436）

0 引言

目前，五軸數控機床已廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等多個領域，極大地提高了生產效率和零件精度，特別是對于一些結構復雜的曲面零件。因此，如何在使用過程中檢測與調整五軸數控機床的精度，成為了一個越來越重要的課題。

1 五軸數控機床的精度

對于五軸數控機床來說，除了常見的幾何精度、定位精度以外，還包括機床的RTCP（Rotated Tool Center Point，旋轉刀具中心點）精度。其中幾何精度反映的機床主要機械零部件的幾何形狀與安裝完成后相對位置的誤差。定位精度是指機床運動部件在運動時達到的實際位置與理論位置的誤差。數控機床的幾何精度和定位精度對最終的加工精度有很大影響，更是調整RTCP精度的基礎。

2 五軸數控機床幾何精度與定位精度的檢測與調整

在檢測機床精度前，應先讓機床進行熱機，使其達到熱穩定狀態下開始檢測。因為冷機熱機之間精度存在一定差異，特別是對于大型數控機床。同時機床的幾何精度應一次完成檢測，因為幾何精度之間相互影響，如針對某項指標調整后會引起其他指標的變化。

對于機床幾何精度的檢驗，通常采用直尺、方尺、角尺、芯棒、百分表等工具進行檢驗，主要檢測項目包括機床臺面的水平度、各軸之間的垂直度與平行度，主軸的跳動精度等。幾何精度要求一般按照機床的出廠標準執行。

在機床幾何精度達到要求后再對定位精度進行檢測，現在直線軸一般采用激光干涉儀檢測定位精度。用激光干涉儀檢測定位精度的方法如下。

（1）安裝激光干涉儀并校準光路；

（2）根據機床補償數據編制測量計劃并進行編程；

（3）輸入激光干涉儀測量參數；

（4）輸出測量結果并生成定位精度與重復定位精度報告。

一般來說定位精度標準按VDI/DGQ 3441—1977或ISO 2302—2006執行。對于回轉軸的定位精度與重復定位精度可以用激光干涉儀組件中的旋轉部件進行測量，也可以采用角擺檢查儀或激光跟蹤儀進行檢測。其中前者需要專用工裝來安裝在被測軸的回轉中心上，后者使用起來相對方便，只需安裝在主軸上即可。

影響定位精度的主要因素有傳動部件間隙、位置反饋元件、螺距誤差補償數據等。其中傳動部件間隙及位置反饋元件的安裝位置靠機械調整，螺距誤差補償數據在系統中調整。本文主要針對西門子840D及840D SL系統進行說明。

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（1）840D及840D SL中主要相關的參數。32450 BACKLASH 反向間隙，單位mm；32700[e]ENC_COMP_ENABLE，1表示在回參考點后激活螺距補償，0表示未針對測量系統激活螺距補償；34090[e]REFP_MOVE_DIST_CORR參考點偏移/絕對偏移，單位 mm；38000[e，AXi]MM_ENC_COMP_MAX_POINTS，絲杠螺距誤差補償點數量，修改后會輸出6020報警，需PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）備份再回裝后生效。

（2）補償文件內容的參數。$AA_ENC_COMP[e，n，AXi]=〈補償值〉，補償值；$AA_ENC_COMP_STEP[e，n，AXi]=〈間隔〉，插補點間隔；$AA_ENC_COMP_MIN[e，n，AXi]=〈軸實際值〉，起始位置；$AA_ENC_COMP_MAX[e，n，AXi]=〈軸實際值〉結束位置；以上[e]為編碼器索引：0，編碼器 1；1，編碼器 2。[n]插補點索引：0，第一插補點；1，第二插補點；2，第三插補點等。[AXi]軸名稱：AX1至AX31，可以使用預定義的通用機床軸名稱AX1～AX31，或使用MD 10000：AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[..]的實際軸名稱

（3）西門子補償的步驟。定義起始點和結束點→定義插補點之間的間隔→根據起始點、結束點、間隔計算插補點數，修改MD38000→保存 NC（Numerical Control，數控系統）數據[PLC 備份]→讀入NC數據（裝載PLC備份）→MD32700=0→讀出螺距補償數據→具有補償0的參考點→用儀器測量出誤差數據→編輯螺距補償數據→讀入螺距補償數據→MD 32700=1→NCK（NC Realtime Kema，西門子的數控實時操作系統）復位→回參考點→在Diagnosis（診斷）菜單中檢查補償是否生效

在對回轉軸進行定位精度補償時，需先校正回轉軸（A，B（C））的絕對零點位置，校正回轉軸絕對零點位置的方法是在RTCP功能關閉的情況下用芯棒進行檢測，然后將誤差值在MD34090原值上進行加減進行補償，補償完畢后需回參考點后再次進行校驗。

3 RTCP精度的檢驗與調整

RTCP精度是五軸聯動機床的重要精度指標，直接影響最終的加工精度。在五軸加工中，追求刀尖點軌跡及刀具與工件間的姿態時，由于機床誤差，數控系統控制點往往與刀尖點不重合，因此數控系統要自動修正控制點，以保證刀尖點按指令既定軌跡運動。下面針對雙擺頭的機床結構進行RTCP的精度分析。RTCP精度是一個綜合的空間精度，影響RTCP精度的主要因素有：機床各軸的定位精度和重復定位精度，機床各軸的的加速度，RTCP的中心點長度，回轉坐標的絕對零點位置誤差，RTCP機械偏心誤差等[1]。

（1）RTCP的檢驗方法。將球頭檢棒裝在主軸上，在刀具參數中輸入球頭檢棒的長度（注意減去球頭半徑），在A0C0位置將百分表頂在球頭檢棒正下方，開啟RTCP功能，依次旋轉到A0C0→A90C0→A90C90→A90C180→A90C270→A90C360→A-90C0→A-90C90→A-90C180→A-90C270→A-90C360，若機床行程不夠則根據實際情況進行檢測，注意觀察旋轉過程中百分表讀數的變化，一般RTCP要求是0.04 mm。

（2）RTCP的調整方法。校正定位精度和重復定位精度→校正機床回轉軸絕對零點位置→校正機床的RTCP的中心點長度→校正RTCP機械偏心的補償。

其中校正定位精度和重復定位精度與校正機床回轉軸絕對零點位置的步驟見上文內容。中心點長度及機械偏心誤差示意見圖1。RTCP的中心點長度BL的測量方法：機床在A角0°度時安裝長度已知的芯棒，記錄此時的Z軸的數值Z1及壓表值，然后將A角旋轉到90°，移動Z軸使芯棒壓表值與剛剛一致，記錄此時Z軸的數值Z2，則BL=Z1-Z2+芯棒半徑。

圖1 中心點長度及機械偏心誤差

（3）RTCP機械偏心值的測量及補償方法。①Hv，實際刀具軸線與A角軸線的誤差值，測量方法為：關閉RTCP功能，將A軸旋轉到90°，百分表下母線拉平，記錄此時Z軸的坐標值ZH1與壓表值，再將A角旋轉到-90°，百分表下母線拉平，移動Z軸使芯棒壓表值與剛剛一致，記錄此時Z軸的數值 ZH2，則 Hv=（ZH1-ZH2）/2，將這個誤差值修正到原補償值里面。②Xz，RTCP開啟時刀具的軸線與A/C頭旋轉中心在X軸方向上的誤差值，測量方法為：開啟RTCP，旋轉到A0C0位置，將百分表放在X軸方向的芯棒側母線上，然后旋轉C到180°，將誤差值的一半修正到原補償值里面。③Yz，RTCP開啟時刀具的軸線與A/C頭旋轉中心在Y軸方向上的誤差值，測量方法為：開啟RTCP，旋轉到A0C0位置，將百分表放在Y軸方向的芯棒側母線上，然后旋轉C到180°，將誤差值的一半修正到原補償值里面。

在以上補償完畢后也需再次校驗RTCP精度是否達到要求。