探討五軸數控機床精度檢測及標定技術的運用

李軍波

摘要：在現代制造技術中，五軸數控機床是一種非常重要的設備，而且在制造業中的應用非常廣泛，為制造業的加工和生產活動奠定了良好的技術基礎。然而，由于在使用五軸數控機床的過程中，經常會存在各種各樣的誤差問題，從而導致制造工廠生產出的產品在精度上無法滿足要求。為了確保五軸數控機床加工的精確度，極大的提高加工的效率，需加大對五軸數控機床精度檢測及標定技術的研究。本文分析了使用“S”形試件來進行五軸數控機床精度檢測，并通過優化技術來進一步提高五軸數控機床精度。

關鍵詞：五軸數控機床；精度檢測；標定技術

1.一種雙擺工作臺式五軸數控機床動態精度標定技術

1.1標定原理及方法分析

機床的工作臺在進行運動時，首先需依據數控系統預先編制的程序來進行，并且將機床的中心軸作為轉動軸。因此，可以通過DBB裝置來分析不同鋼球之間的運動軌跡，并由此推斷出機床的實際運動路線?？傊?，對于五軸數控機床的誤差標定技術就是指對于需要標定的每個誤差元素，采用一些合理的檢測設備，通過直接或者間接的方式來進行檢測，從而確保機床對工件的加工滿足質量要求。

2.“S”形機床精度檢測試件概述

“S”形試件在建模時比較簡單，即在上下兩個平面上繪制50個點，然后連接這50個標準點，使其形成“S”形狀的曲線，然后通過上下兩個面的兩條“S”形曲線，構造一個直紋面，將其拉為厚度為3mm的緣條，然后再配備矩形的基座，最后就完成了“S”形試件的制作?！癝”形試件在使用時，由于其特殊的構型，因此，在對數控機床進行檢測時，具有較大使用優勢。上下兩條“S”形的樣條曲線在基座上進行投影時，其投影圖像互相交叉并且具有一定的角度，并非重合在一起。在對數控機床的加工精度和擺動能力進行檢測時，可以通過分析刀軸的變化情況，及“S”形曲線的變化狀態來確定。而且對“S”形試件加工質量的測試和評價，可以對機床的定位精度、多軸聯動精度、幾何精度等，有一個大致了解?！癝”形試件采用航空材料，在加工過程中可以表現出機床的剛度和振動等情況。

3.五軸數控機床精度檢測方法RTCP簡介

3.1RTCP功能介紹

作為五軸聯動數控機床的一種基本功能，RTCP有助于控制數控系統的的運動狀態，并且促使其圍繞運動軸不斷進行運動，從而實現誤差補償。在刀具的長度發生變化或者改變工件的安裝位置時，也不必對其進行再次編程，只需在數控系統中輸入刀尖與刀具旋轉中心點的距離或者坐標原點與編程坐標的偏置值，就可以確保刀具中心點的位置在系統編程的軌跡圖像上。在這個過程中，為了實現對刀具運動狀態及所處位置的有效控制，需通過輸入不同的指令來控制每個運動軸的運動情況，并且其數值的變化反映了刀具的不同位置信息，但運動軸本身卻并沒有發生狀態變化。通過刀具坐標的不同變化進行分析，并且刀具的變化情況即代表了數控系統對各軸所輸入的指令情況。

如圖1所示，當開啟RTCP功能時，通常情況下，五軸數控機床發生聯動運動，刀尖實際進行運動的路線即代表數控系統對相關指令的編程路線。當RTCP功能處于關閉狀態時，數控系統的指令編程軌跡代表著刀軸的運動情況，從而導致刀具中心的偏移，引發了一定的誤差，并且該誤差是非線性的，這種情況，極大的降低了機床的加工精度。因此，RTCP功能在五軸數控機床生產加工過程中的運用，有助于加工工件按照數控系統的編程軌跡，進行運動，從而提高工件的質量和滿意度。

3.2基于RTCP的五軸數控機床聯動檢測

影響數控機床精度的因素有動態誤差和靜態誤差，它們對加工產品的質量具有很大影響。一般對于機床加工精度進行檢測，主要是為了及時處理工件表面的質量問題，或者驗收新機床等。RTCP主要是用來檢測五軸數控機床在進行工作時，由刀尖的運動所造成的誤差（如圖2）。動態精度檢測及優化流程為：首先需激活RTCP功能，然后安裝適合的檢棒，對機床各軸的運動速度及范圍進行規定，然后就刀具圍繞刀尖中心點的轉動情況，編制合理的運轉程序，最后通過一定的方式，來測量刀尖中心在X軸、Y軸、Z軸的誤差情況。由于在實際工作的過程中，機床的五軸共同運動，因此，為了準確測量各個軸的動態精度，可以通過分析刀尖在中心位置的誤差來確定。

RTCP的精度檢測方式，可以檢測出不少于3個轉動軸聯動時，機床的動態精度情況。以圖1中的機床類型為例，當C軸角度為0 時，機床在-90°及90°之間進行運動，即機床的A軸、Y軸和Z軸將發生聯動，A軸、Y軸和Z軸進行聯動的精度，可以從機床的終端位置在不同方向的誤差情況來確定。因此，刀尖的位置和A、C角的運動范圍不同，機床各個軸在既定區域內的發生聯動時的精度也不同，采用這種方式，可以及時對機床的參數進行調整，對機械的生產加工過程進行優化。

4.直線軸部分幾何精度測量結果及分析

4.1直線軸線性測量結果

（1）X軸線性測量結果

根據有關標準分析得出，X軸在500mm范圍內的線性測量，其反向差值為0.000900mm，小于國家所規定的反向差值，因此，此差值合理。

（2）Y軸線性測量結果

Y軸在1400mm范圍內的線性測量， 其方向差值與國家規定的數值相同為0.0030mm，因此，Y軸的線性反向差合格。

（3）Z軸線性測量結果

Z軸在800mm范圍內的線性測量，其定位精度為0.003681mm，小于國家所規定的數據范圍，因此，Z軸在單方向的重復定位比較精確，滿足要求。

4.2直線軸角度測量結果

（1）X軸角度

X軸角度在1000mm內的角度偏轉差值為0.68”，其數值小于國家規定的差值，因此，X軸角度反向偏轉的差值滿足要求。在對X軸的俯仰角度進行測量時，其在600mm范圍內的反向差數據為0.63”，滿足規范要求。

（2）Z軸角度

在對Z軸的角度偏轉情況進行測量時，其在700mm范圍內的偏轉角度反向差值為0.38"，偏轉角度合格。

4.3直線垂直度測量分析

（1）X、Y軸

X、Y兩軸的垂直度數值為11.08，符合國家標準，因此，X、Y的垂直度均合格。

（2）X、Z軸

對X、Y軸的垂直度進行測量時，其兩軸的垂直度數值為10.54，符合規定，因此，X、Y的垂直度均合格。

（3）Y、Z軸

對于X、Y兩軸的垂直度測量結果為1.00，也在國家的規定范圍內，因此，X、Y的垂直度也合格。

4.動態精度優化

為了生產出質量合格、精度滿足要求的產品，需在數控機床運作的過程中，對其進行檢測和動態精度優化，主要包含圓度調整、對坐標軸運動情況進行分析、分析S形試件的試切階段、RTCP精度檢測等內容。最初的RTCP的動態精度檢測過程是一個綜合性檢測階段，之后在進行RTCP精度檢測時，主要是為了對相關參數和機械運行情況進行調整、確定出現誤差問題的軸，并最終確定其準確位置、對S形試件的結果進行分析等。

在使用RTCP功能來對機床進行精度檢測時，需對各個軸的運動速度、刀尖位置及擺角的擺動區域等進行確定。然后通過不斷調整相關參數，來分析機床在運動區域及運動軸確定的情況下，以一定的速度進行運動時的動態精度情況。RTCP在動態精度檢測過程中的結果，有助于分析動態誤差產生的原因，并且根據誤差情況及時調整機械結構。

本文通過對刀尖點的誤差軌跡情況進行分析，來進一步確定五軸數控機床的誤差情況，并且將它們之間的運動軌跡進行對比，通過在其他驅動軸上的定位，來促使其伺服參數得到有效優化。

DTW是一種在不同的時間下所運動的軌跡距離，可以用來測量不同的數據和運動指令，其軌跡是否相同。例如，對于誤差情況不同的機床，來分析刀尖在這種情況下的軌跡庫，Rp=（ri1，...，riM），p=1，...，k，則采用RTCP檢出的刀尖的實際誤差軌跡即為T=（t1，...tN）。刀尖在實際運動過程中的軌跡為N，假設情況下，共包含k個軌跡長度為M不同的誤差軌跡。

5.結語

綜上，本文針對五軸數控機床的加工過程，提出了基于“S”形試件的五軸數控機床動態精度檢測及優化方法，并且通過這種方式，促使數控機床工作人員在工作的過程中發現的問題進行及時反饋。在線測量技術在數控機床系統中的應用，確保了測量的精度，并促使制造業的經濟效益和加工效率得到很大提升。此外，通過系統檢測信息的及時反饋，可以及時對誤差進行修正，從而確保加工的質量?？傊?，該種檢測技術在五軸數控機床中的應用，具有非常重要的意義和價值。

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