探讨五轴数控机床精度检测及标定技术的运用

李军波

摘要：在现代制造技术中，五轴数控机床是一种非常重要的设备，而且在制造业中的应用非常广泛，为制造业的加工和生产活动奠定了良好的技术基础。然而，由于在使用五轴数控机床的过程中，经常会存在各种各样的误差问题，从而导致制造工厂生产出的产品在精度上无法满足要求。为了确保五轴数控机床加工的精确度，极大的提高加工的效率，需加大对五轴数控机床精度检测及标定技术的研究。本文分析了使用“S”形試件来进行五轴数控机床精度检测，并通过优化技术来进一步提高五轴数控机床精度。

关键词：五轴数控机床；精度检测；标定技术

1.一种双摆工作台式五轴数控机床动态精度标定技术

1.1标定原理及方法分析

机床的工作台在进行运动时，首先需依据数控系统预先编制的程序来进行，并且将机床的中心轴作为转动轴。因此，可以通过DBB装置来分析不同钢球之间的运动轨迹，并由此推断出机床的实际运动路线。总之，对于五轴数控机床的误差标定技术就是指对于需要标定的每个误差元素，采用一些合理的检测设备，通过直接或者间接的方式来进行检测，从而确保机床对工件的加工满足质量要求。

2.“S”形机床精度检测试件概述

“S”形试件在建模时比较简单，即在上下两个平面上绘制50个点，然后连接这50个标准点，使其形成“S”形状的曲线，然后通过上下两个面的两条“S”形曲线，构造一个直纹面，将其拉为厚度为3mm的缘条，然后再配备矩形的基座，最后就完成了“S”形试件的制作。“S”形试件在使用时，由于其特殊的构型，因此，在对数控机床进行检测时，具有较大使用优势。上下两条“S”形的样条曲线在基座上进行投影时，其投影图像互相交叉并且具有一定的角度，并非重合在一起。在对数控机床的加工精度和摆动能力进行检测时，可以通过分析刀轴的变化情况，及“S”形曲线的变化状态来确定。而且对“S”形试件加工质量的测试和评价，可以对机床的定位精度、多轴联动精度、几何精度等，有一个大致了解。“S”形试件采用航空材料，在加工过程中可以表现出机床的刚度和振动等情况。

3.五轴数控机床精度检测方法RTCP简介

3.1RTCP功能介绍

作为五轴联动数控机床的一种基本功能，RTCP有助于控制数控系统的的运动状态，并且促使其围绕运动轴不断进行运动，从而实现误差补偿。在刀具的长度发生变化或者改变工件的安装位置时，也不必对其进行再次编程，只需在数控系统中输入刀尖与刀具旋转中心点的距离或者坐标原点与编程坐标的偏置值，就可以确保刀具中心点的位置在系统编程的轨迹图像上。在这个过程中，为了实现对刀具运动状态及所处位置的有效控制，需通过输入不同的指令来控制每个运动轴的运动情况，并且其数值的变化反映了刀具的不同位置信息，但运动轴本身却并没有发生状态变化。通过刀具坐标的不同变化进行分析，并且刀具的变化情况即代表了数控系统对各轴所输入的指令情况。

如图1所示，当开启RTCP功能时，通常情况下，五轴数控机床发生联动运动，刀尖实际进行运动的路线即代表数控系统对相关指令的编程路线。当RTCP功能处于关闭状态时，数控系统的指令编程轨迹代表着刀轴的运动情况，从而导致刀具中心的偏移，引发了一定的误差，并且该误差是非线性的，这种情况，极大的降低了机床的加工精度。因此，RTCP功能在五轴数控机床生产加工过程中的运用，有助于加工工件按照数控系统的编程轨迹，进行运动，从而提高工件的质量和满意度。

3.2基于RTCP的五轴数控机床联动检测

影响数控机床精度的因素有动态误差和静态误差，它们对加工产品的质量具有很大影响。一般对于机床加工精度进行检测，主要是为了及时处理工件表面的质量问题，或者验收新机床等。RTCP主要是用来检测五轴数控机床在进行工作时，由刀尖的运动所造成的误差（如图2）。动态精度检测及优化流程为：首先需激活RTCP功能，然后安装适合的检棒，对机床各轴的运动速度及范围进行规定，然后就刀具围绕刀尖中心点的转动情况，编制合理的运转程序，最后通过一定的方式，来测量刀尖中心在X轴、Y轴、Z轴的误差情况。由于在实际工作的过程中，机床的五轴共同运动，因此，为了准确测量各个轴的动态精度，可以通过分析刀尖在中心位置的误差来确定。

RTCP的精度检测方式，可以检测出不少于3个转动轴联动时，机床的动态精度情况。以图1中的机床类型为例，当C轴角度为0 时，机床在-90°及90°之间进行运动，即机床的A轴、Y轴和Z轴将发生联动，A轴、Y轴和Z轴进行联动的精度，可以从机床的终端位置在不同方向的误差情况来确定。因此，刀尖的位置和A、C角的运动范围不同，机床各个轴在既定区域内的发生联动时的精度也不同，采用这种方式，可以及时对机床的参数进行调整，对机械的生产加工过程进行优化。

4.直线轴部分几何精度测量结果及分析

4.1直线轴线性测量结果

（1）X轴线性测量结果

根据有关标准分析得出，X轴在500mm范围内的线性测量，其反向差值为0.000900mm，小于国家所规定的反向差值，因此，此差值合理。

（2）Y轴线性测量结果

Y轴在1400mm范围内的线性测量， 其方向差值与国家规定的数值相同为0.0030mm，因此，Y轴的线性反向差合格。

（3）Z轴线性测量结果

Z轴在800mm范围内的线性测量，其定位精度为0.003681mm，小于国家所规定的数据范围，因此，Z轴在单方向的重复定位比较精确，满足要求。

4.2直线轴角度测量结果

（1）X轴角度

X轴角度在1000mm内的角度偏转差值为0.68”，其数值小于国家规定的差值，因此，X轴角度反向偏转的差值满足要求。在对X轴的俯仰角度进行测量时，其在600mm范围内的反向差数据为0.63”，满足规范要求。

（2）Z轴角度

在对Z轴的角度偏转情况进行测量时，其在700mm范围内的偏转角度反向差值为0.38"，偏转角度合格。

4.3直线垂直度测量分析

（1）X、Y軸

X、Y两轴的垂直度数值为11.08，符合国家标准，因此，X、Y的垂直度均合格。

（2）X、Z轴

对X、Y轴的垂直度进行测量时，其两轴的垂直度数值为10.54，符合规定，因此，X、Y的垂直度均合格。

（3）Y、Z轴

对于X、Y两轴的垂直度测量结果为1.00，也在国家的规定范围内，因此，X、Y的垂直度也合格。

4.动态精度优化

为了生产出质量合格、精度满足要求的产品，需在数控机床运作的过程中，对其进行检测和动态精度优化，主要包含圆度调整、对坐标轴运动情况进行分析、分析S形试件的试切阶段、RTCP精度检测等内容。最初的RTCP的动态精度检测过程是一个综合性检测阶段，之后在进行RTCP精度检测时，主要是为了对相关参数和机械运行情况进行调整、确定出现误差问题的轴，并最终确定其准确位置、对S形试件的结果进行分析等。

在使用RTCP功能来对机床进行精度检测时，需对各个轴的运动速度、刀尖位置及摆角的摆动区域等进行确定。然后通过不断调整相关参数，来分析机床在运动区域及运动轴确定的情况下，以一定的速度进行运动时的动态精度情况。RTCP在动态精度检测过程中的结果，有助于分析动态误差产生的原因，并且根据误差情况及时调整机械结构。

本文通过对刀尖点的误差轨迹情况进行分析，来进一步确定五轴数控机床的误差情况，并且将它们之间的运动轨迹进行对比，通过在其他驱动轴上的定位，来促使其伺服参数得到有效优化。

DTW是一种在不同的时间下所运动的轨迹距离，可以用来测量不同的数据和运动指令，其轨迹是否相同。例如，对于误差情况不同的机床，来分析刀尖在这种情况下的轨迹库，Rp=（ri1，...，riM），p=1，...，k，则采用RTCP检出的刀尖的实际误差轨迹即为T=（t1，...tN）。刀尖在实际运动过程中的轨迹为N，假设情况下，共包含k个轨迹长度为M不同的误差轨迹。

5.结语

综上，本文针对五轴数控机床的加工过程，提出了基于“S”形试件的五轴数控机床动态精度检测及优化方法，并且通过这种方式，促使数控机床工作人员在工作的过程中发现的问题进行及时反馈。在线测量技术在数控机床系统中的应用，确保了测量的精度，并促使制造业的经济效益和加工效率得到很大提升。此外，通过系统检测信息的及时反馈，可以及时对误差进行修正，从而确保加工的质量。总之，该种检测技术在五轴数控机床中的应用，具有非常重要的意义和价值。

参考文献：

[1]关立文. 五轴联动数控机床精度测评技术与标准[J]. 中国科技成果，2016，17（15）：19-19.

[2]杨林，李亚康. TS640测头在五轴数控机床摆动主轴标定中的应用[J]. 机械工程师，2014，33（3）：1-2.

[3]李亚东，王波，曾小明，等. 摇篮式五轴加工中心机床精度标定方法[J]. 机械，2016，25（s1）：87-89.