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五軸機床動態精度的好壞直接影響航空零件的產品質量和生產效率，通過研發五軸動態精度的快速檢測方案，以最簡便方法和最低成本實現對機床精度的快速檢測驗證，達到實現產品優質、高效生產的目的。

 

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五軸機床為多軸高精密數控設備，當前已大量運用于航空航天、風電和核電等高端制造領域，由于機床結構復雜且機械精度要求高五軸機床的動態精度檢測和調整一直是業內討論的熱點，并成為直接影響產品質量和生產效率的重要因素之一。

 

常規的五軸精度檢測分為機械靜態檢測和動態檢測。靜態檢測主要是對機床的幾何和位置精度的測繪，主要測量項點是機床空載情況下基礎運動構件和運動軸相互的垂直度、直線度、平面度、圓跳動、重復定位和反向間隙等運動精度（見圖１）。實踐中運用水平儀、大理石方箱、千分表和標準棒等工具對機床主要運動部件的單一運動精度進行檢測，其反映了機床在未承受任何切削載荷狀態下各運動部件獨立的狀態表現。動態檢測是機床在運行過程中各主要運動機構的綜合精度表現，通過動態檢測可以直接驗證五軸機床各運動部件將靜態精度轉變為動態運動后的機械精度狀態，這種狀態最貼近于實際生產中五軸機床反映出來的綜合機械性能也是影響產品質量和效率的重要因素。

圖1　五軸聯動加工中心

1.研發五軸快速動態檢測的背景

 

傳統的五軸動態檢測手段都是依靠紅外線激光設備（見圖２）對機床的單一運動軸進行實時運動檢測，檢測前清除各運動軸的實際補償值再通過機床重復定位運動對各軸進行分段變速檢測，在ＴＮＣ控制系統下可以將被測數據在線輸入機床控制系統并自動生成補償代碼值進行機械間隙補償。

 

但此檢測手段成本高、用時長，且無法偵測機械結構在負載狀態下的綜合運動精度，因此如何快速檢測五軸動態精度將現有五軸設備生產力最大化釋放，成為各航空制造企業的重要難題之一。

 

圖２　傳統五軸動態檢測手段

 

2.五軸快速檢測方案細解

 

在競爭激烈的航空制造市場的推動下，利用五軸機床固有的補償功能配合精度球、千分表、宏程序和橢圓試塊可實現快速準確的五軸動態檢測。功能為的簡稱，又名刀具自動補償功能，原理是通過控制系統對五軸旋轉點到裝刀點的距離＋實際的刀具長度（見圖３）進行多角度空間數學運算來實現將編程控制點轉化為實際刀具切削接觸點的過程。

圖３　ＲＴＣＰ原理示意圖

 

五軸機床必須依據ＲＴＣＰ功能才能正確地進行多軸聯動切削運動，假設忽略機械硬件的誤差問題五軸機床的實際運行軌跡和計算機編程（ＣＡＭ）的ＮＣ代碼軌跡完全一致，所以將功能納入檢測方案中目的就是動態檢測時能完全準確地追蹤五軸聯動時機械運動機構的理論軌跡，精準快速地達到檢測目的。

 

具體實施方案如下：

 

1） 調整五軸機床靜態精度（靜態精度為動態精度的基礎），此項調整周期用時很長通常在年度二級保養時已測繪補償到位，在動態檢測前只需對主軸圓跳動、Ｘ／Ｙ／Ｚ／Ａ／Ｃ軸的反向間隙和Ｃ軸極限回轉誤差用百分表進行復測不再運用激光干擾器進行精度調整。

 

2）定制 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ的測量球（見圖４），要求球形直徑和圓度公差≤０.００５ｍｍ，表面粗糙度值Ｒａ＜０.８μｍ，鏡面，避免硬件誤差對動態檢測結果的影響。

圖4　測量球

 

3）利用精度標準棒校對五軸頭固定旋轉補償值（見圖５），此數值在機床出廠時已經測繪輸入參數表，由于機床在長時間使用和維修過程中可能會造成補償值的變化，所以校對其值的正確性是必須的。

 

圖5　校對五軸頭固定旋轉補償值

如圖５所示以標準棒中心設立坐標系，將千分表按圖放置，以標準棒最大外徑壓表０.１ｍｍ～后刻度歸零（壓表過程中注意排除Ｘ軸機械間隙）；手動移動Ｘ軸至安全位置，如圖所示旋轉Ａ軸至90度后再將主軸端面壓表對零這時Ｘ軸在設定坐標系中的位移值即為實測值；計算五軸頭補＝實測值－標準刀長（150ｍｍ）－標準棒半徑（25ｍｍ）。注意：在頭補復測時應全程取消五軸刀具補償功能。

圖6　五軸頭補測量示意

4）實施ＲＴＣＰ動態檢測，首先設置動態旋轉點，如圖７所示要使千分表在固定不動的情況下表頭接觸點在 φ ８０ｍｍＲ４０ｍｍ半球外形上弧線運動，只能選擇旋轉點作為運動坐標系原點因此先手動找到Ｂ點后再偏置至Ａ點設立檢測坐標系。

圖7　設立檢測坐標系

 

參照圖７將刀具實際補償值減短一個球頭半徑值（４０ｍｍ）作為檢測程序運行時刀具長度補償（Ｄ０１）值，運行檢測宏程序對五軸機床的動態精度進行多角度多軸聯動檢測（見圖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

……

圖8　五軸機床動態精度檢測

 

5）對五軸動態檢測結果進行驗證，通過對比分析動態檢測結果和試切件三坐標計量結果，誤差重合率達96%～98%以上，實踐驗證五軸動態檢測的準確性和可行性。

 

3. 結語

 

本文基于航空制造特點，針對產能大與五軸機床維修率逐年增高的實際情況，研發了五軸動態精度檢測手段，依靠快速動態檢測大大提高五軸精度檢測的效率并降低了檢測成本，為機床的調整及維修提供了可靠的數字依據。此檢測手段已被列入周/月度保養范疇，并在加工關重件前進行實施檢測，成為確保航空產品質量的重要手段之一。

 

本文發表于《金屬加工（冷加工）》2019年第11期4-5頁，作者：宜賓市普什航空軍工事業部 周凱  ，原標題：《五軸機床動態精度的快速檢測方案》。