五轴数控机床回转中心的几何误差检测与补偿

1 引言

五轴数控机床是装备制造业最重要的一种加工设备，可用于加工各种复杂曲面，随着对工件加工质量要求的不断提高，如何提高五轴数控机床加工精度问题成为热点。

机床自身的制造和装配误差，影响着机床的几何精度，同时，对于五轴数控机床而言，误差造成回转轴心不重合，降低了五轴联动精度，不能够得到理想的零件加工精度。几何误差补偿的方法是在不改变数控机床结构和控制系统的机床上，通过对机床运动误差源分析、建立数学模型和计算，将机床的空间定位误差实时地反馈到控制系统，实现误差的修正，从而提高五轴数控机床的加工精度。

转摆台式五轴数控机床，直线轴联动回转中心与两旋转轴轴心位置的不重合几何误差，制约着五轴数控机床加工精度。为解决此问题，本文提出以下方案：围绕回转中心，建立五轴数控机床联动轨迹模型，设计几何误差检测方案；分析列表实际检测误差数据；通过对机床机械系统运动误差的计算，将空间定位误差实时地反馈到控制系统，实现误差修正。通过对沈阳机床某转摆台式五轴数控机床进行实例研究，验证此方法有效。

2  转摆台式五轴数控机床结构建模

如图1 所示为转摆台式五轴数控机床结构示意图。直线轴X、Y、Z 联动回转中心矢量位置由加工中心数控系统按照加工中心结构参数进行插补计算得到。当A 轴回转中心、C 轴回转中心、直线轴X、Y、Z 联动回转中心不重合几何误差偏大时，五轴数控机床加工精度就会降低。因此，做到三中心重合或偏差最小，成为了提高五轴机床联动精度的必要手段。

3 几何误差检测方法设计

（1）检测球头检棒长度补偿值，半径补偿值；

（2）测量A 轴回转中心与C 轴回转中心在Y 方向上的误差；

（3）测量工作台台面与A 轴回转中心在Z 方向上误差；

（4）确定将要检测的旋转轴（A 轴或C 轴），将千分表摆放在插补圆内，并将表针压在球头检棒高点位置；

（5）X、Y、C 轴做大圆联动，观测并记录X、Y 两个方向随着C 轴角度变化时，千分表读数变化；

（6）计算出直线轴联动回转中心与C 轴轴心在X/Y平面上的误差；

（7）Y、Z、A 轴做大圆联动，观测并记录Y、Z 两个方向随着A 轴角度变化时，千分表读数变化；

（8）计算出直线轴联动回转中心与A 轴轴心在Y/Z平面上的误差。

4 测量原理

以只考虑直线轴联动回转中心与C 轴回转中心在X、Y 方向上误差为例。如图2 所示，数控机床X、Y、C 轴在X/Y 平面内，做大圆联动，通过千分表的变化来进行误差分析。如图3 所示，X、Y 插补轨迹与理想轨迹之间的误差是由于直线轴联动回转中心O2 与C 轴回转中心O 在X/Y 方向上误差a/b造成。因此通过对千分表变化值的分析，计算出a/b 值，进入数控系统进行误差补偿，以减小X、Y插补轨迹与理想轨迹之间的误差。

5 误差补偿参数算法描述

以只考虑直线轴联动回转中心O2 与C轴回转中心O 在X、Y方向上误差为例。设C 轴回转轴轴心O 在X/Y 平面内坐标为（0，0），直线轴联动回转中心O2 坐标为（b，a），千分表读数变化值为k。数控机床X、Y、C 轴在X/Y 平面内，做大圆联动，旋转角度为θ。
b=k·sinθ                                              （1）
a=k·cosθ                                              （2）

经过误差检测与计算，得出修正参数a、b、c、d，补偿到数控系统中。

7 实例应用

基于以上分析，将该方法应用于沈阳机床某转摆台式五轴数控机床进行误差补偿，该机床加工精度得到了大幅度提高。

8 结语

转摆台式五轴数控机床中心不重合几何误差，需要建立误差综合模型，进行多次检测与补偿，才可达到理想的几何精度，以提高机床加工精度。