五坐标数控机床旋转轴定位精度的校正方法

五坐标数控机床旋转轴定位精度的校正方法■■昌河飞机工业（集团）有限责任公司　（江西景德镇　333001）　林超青摘要：五坐标加工中心的RTCP功能是五坐标机床的一个重要标志，是否具备RTCP功能以及RTCP精度好坏直接关系到五坐标机床的正常使用及加工零件的精度。因此了解和掌握五坐标加工中心RTCP精度检测和校正方法具有很重要的意义。1.问题的由来五坐标数控机床越来越多，机床的定位精度需要定期进行校正和补偿，校正和补偿手段一般是使用激光干涉仪。利用激光干涉仪进行直线轴定位精度检查很简单，不需要附加的工装夹具，但是利用激光干涉仪进行旋转轴定位精度的检查和校正就异常困难。检查和校正旋转轴的定位精度需要使用旋转轴角度测头，这种测头需要专用的与机床旋转轴结构特点相配套的工装夹具，不同机床由于旋转轴结构不同，工装夹具也无法通用，而且安装工装夹具时需要拆卸一些机床部件。一般用户不会制造大量的专用工装夹具，公司也没有类似的工装夹具，因此无法进行旋转轴定位精度的校正和补偿，这样在精度要求较高的时候风险就比较大，特别是更换旋转轴的位置检测部件需要检测而无法检测，因此需要一种简便易行的通用方法。2.机床定位误差产生的原因数控系统给机床坐标轴发出运动指令后，坐标轴即按照系统给出的指令进行移动和位置定位，但是机床坐标轴运动涉及机械运动部件、伺服驱动、电动机、指令的传输和译码及位置检测装置等各个方面，由于机械部件的制造误差，指令在传输和译码过程中代码不可避免的有丢失和错误，位置检测装置检测信号的误差、传输及译码误差，导致机床坐标轴无法按照数控系统给定的指令进行分毫不差地运动和定位，总是或多或少的产生大小不一的定位位置误差。些变化（条纹）可以记录下来并用于计算两光程差的变化。在测量时，一个光束作为基准固定不变（如将一个反射镜固定在分光镜上），以便将变化条纹转化为第二个反射镜位置变化。例如，可以将干涉镜和反射镜置于零位，将激光读数清零，然后移动测量反射镜，检测器根据所记录的条纹数来精密测量长度。利用精密测定的长度与数控系统给定的位置进行比较，即可得到位置定位误差。然后把误差输入到数控系统，数控系统根据定位误差发出指令让运动部件移动相应的距离，得到较为准确的位置定位。3.激光定位精度检查和补偿的原理和方法激光干涉仪两束相干波形是由一束稳定的相干激光经分光而得到的两束光波。若两束光的光程差发生变化，检测器得到的信号随两束光相长干涉和相消干涉在波长相差一周时发生改变，这4.RTCP运动原理RTCP是绕刀具中心点转动(Rotated Tool Center Point)的英文缩写。如果没有RTCP功能，一个坐标的转动将导致刀具中心受制于一个量，该量正比于转动的角度和刀具中心与该坐标转动中心2019年 第5期www.mw1950.com冷加工77之间的距离。此位移如图1所示。 图3　有RTCP图1　 绕X轴坐标的转动图中，C-P5.影响RTCP精度的因素1这一段以C为中心绕X坐标旋转了一个角度a，这RTCP精度是一个综合的空样C-P1的末端从P1移到了P2。当间精度，从RTCP的运行状态，可把这种概念用于机床时（可以认以看到，RTCP精度的好与差受到为C点是转动主轴头的中心，P1多种因素的影响。这些因素包括是刀具的中心），可以看到转动机床的几何精度（如C轴画圆精一个坐标的结果是使刀具中心在度等）、定位精度和重复定位精XYZ坐标系中产生位移。度、RTCP的中心点长度、RTCP如果有RTCP功能，数控系统机械偏心的补偿及回转坐标的绝将使刀具中心始终保持在一个固对零点位置等。定的XYZ位置上（如编程指定的6.RTCP与旋转轴定位精度XYZ位置）。为保持这个位置，的关系转动坐标的每一个运动都会被RTCP精度与多个变量有关，XYZ的一个直线位移所补偿。因其中机床的几何精度、RTCP的此，如果没有RTCP功能，一个或中心点长度、RTCP机械偏心的多个转动坐标的运动会引起刀具补偿、回转坐标的绝对零点位置中心的位移，而当具有RTCP功能等，我们可以通过几何测量校时，则是坐标旋转中心的位移，正，使这些精度满足要求。在刀具中心始终保持在同一个位几何精度满足要求的情况下，与置。图2、图3是分别机床无RTCPRTCP精度关联性大的因素就是和有RTCP时的运动状态。机床的定位精度。如果机床的旋转轴定位精度在定位时有一个小误差∆α，系统无法进行RTCP移动，这样刀具中心就会有一个相应的偏差，即RTCP精度偏差。同 样，在RTCP激活的条件下，如果A轴旋转一个角度α，则X轴、Z轴也会有相应的移动，X轴、Z轴的定位也会有相应的误差，即定位 精度误差∆E，这样在RTCP精度上同样会有一个偏差。所以在机图2 　无RTCP 床几何精度满足要求，RTCP参数782019年 第5期www.mw1950.com冷加工各项设置正确时，RTCP的精度就与机床的线性轴，旋转轴的定位精度密切相关。坐标轴定位误差与RTCP的关系如图4所示。 图　4由于线性轴在RTCP角度旋转时，如果角度旋转不大，如5 º，则移动距离只有40mm，而机床的线性轴定位精度一般可以达到0.015mm/2 000mm，所以线性轴的定位精度误差在旋转角度较小时对RTCP精度的影响可以忽略不计（见图5）。图　5在微小角度条件下，弧可以认为是垂直于一条边，并是一直线，由此我们可以得到：tanα=y/xα=arctany/x由此，由于X（旋转轴旋转中心到刀具中心的距离）一般在700mm以上，而Y（RTCP精度值）一般很小，在0.1mm以下，经计算，可以得到如果RTCP变化0.01mm，在角度上大约有0.001度的变化。7.利用RTCP精度校正旋转轴的方法通过上述计算公式和激光干涉检测原理，可以看到，利用RTCP精度进行旋转轴定位精度的校正精度不如激光干涉检测精度高，但由于我们在实际生产时需要刀尖（刀具中心）的运动轨迹在编程的轨迹上，有时虽然旋转轴的定位精度比较好，但RTCP还要受其他因素的影响，所以RTCP精度有时也不会很好，也就是刀具轨迹不在编程轨迹上，而通过RTCP误差校正旋转轴的定位精度，虽精度不如激光干涉检测高，但是由于是直接保证RTCP精度，也就是刀具中心轨迹正确，能够满足我们的生产需要。利用以上方法我们在K197-1、K197-2、K199、K211和JOBS35等五坐标机床进行了实验，结果RTCP的精度可以达到0.015mm以下，完全满足生产需求，零件加工效果符合工艺要求，而校正前RTCP精度在0.08mm以上，零件加工时超差。具体验证结果如附表所示（K197-1）。8.利用RTCP校正旋转轴定位精度利用RTCP校正旋转轴定位精度的步骤和方法为：步骤1，检测和校正机床的主轴与X轴的垂直精度，满足机床出厂精度要求（见图6）。步骤2，检测和校正机床的主轴与Y轴的垂直精度，满足机床出厂精度要求（见图7）。验证结果角度（º）RTCP（校正前）RTCP（校正后）螺补值（校正前）螺补值（校正后）-90-850.080.012-800.060.013-0.020 9-0.020 4-0.028 9-750.070.008-0.018 7-0.026 4-0.025 5-700.075-650.0550.010-0.015 5-0.023 7-600.050.0070.010-0.017 0-0.015 6-0.022-550.0460.009-0.014 3-0.020 6-0.018 3-500.040-450.0300.008-0.013 0-0.017 0-400.0400.010-350.0300.009-0.012 8-0.015 80.011-0.010 8-0.008-0.012 0-0.011 8-300.0200.007-0.009 2-0.010 2-250.030-200.0250.0100.009-0.010-0.013 0-150.0100.008-0.009 6-0.009-0.011 2-100.0070.007-0.007 1-0.009 6-0.007 1-50.00900.0060.009-0.005 2-0.005 200.0060-0.002 30-0.002 31050.0030.0030.000 50.000 50150.006200.0070.0060.000 50.000 5250.0090.005300.0080.0070.000 70.000 70.0090.001 00.002 50.001 00.002 5350.0100.0070.003 80.003 8400.010450.0150.0100.0080.005 30.005 3500.0200.0110.010 20.010 30.008 7550.0350.0120.015 30.008 30.011 8600.045650.0580.0100.017 20.012 7700.0600.0130.0120.021 40.023 20.015 6750.0750.0110.026 00.016 20.018 5800.066850.0740.0100.027 00.020 7900.0770.0140.0830.0150.029 60.022 20.0100.029 50.031 00.022 00.022 7图　6图　7冷加工2019年 第5期www.mw1950.com79步骤3，检测和校正C轴旋转与X轴的垂直度，满足机床出厂精度要求（见图8）。步骤4，检测和校正C轴旋转与Y轴的垂直度，满足机床出厂精度要求（见图9）。步骤5，检测校正机床回转坐标的零点位置（见图10a）。步骤6，利用直棒测定处于水平或垂直状态旋转轴的角度的定位误差，进行校正（见图10b）。步骤7，检测及设置校正机床RTCP机械偏心（见图11）。步骤8，利用千分表、直棒和球棒设定A轴旋转中心到主轴鼻端的长度。 步骤9，利用直棒测定处于水平或垂直状态角度RTCP值，并以此作为RTCP精度的参考值。步骤10，利用球棒和千分表检测机床的RTCP精度，每隔5º进行一次测量（见图12）。步骤11，利用RTCP精度，RTCP精度也就是千分表的指示值，与旋转轴定位精度的关系进行旋转轴定位精度校正，具体就是利用RTCP的精度值，通过计算得出角度误差，并把得出的角度误差与数控系统螺距补偿文件对应的角度进行加减，确定角度补偿值。图　11图　10图　9图　89.结语经过原理推导，机床验证和试验测试，机床零件加工验证，结果表明，以上方法符合零件生产对机床精度提出的要求。图　12参考文献：[1] 周济，周艳红. 数控加工技术[M].北京：国防工业出版社，2002.[2] 成大先.机械设计手册[M]. 6版.北京：化学工业出版社，2016. （截稿日期：20190301）802019年 第5期www.mw1950.com冷加工