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五軸聯動加工中心擺軸的檢測（cè）分析

2021-2-24 來（lái）源：中國航發上海商（shāng）用航空發動機製造有限責任作者：陳亞（yà）林　張續林　張瑞（ruì）

摘要：隨著五軸聯（lián）動加工中心在（zài）機械加工領域的廣泛應用，對於五軸聯動加工中心擺軸的檢測受到技術人員的關（guān）注。傳統測（cè）量方法受測量光路被遮擋的（de）影響，不能實現全（quán）程測量。因此，提出了針（zhēn）對（duì）擺軸的測量光路和方法，旨在保證全程測量擺軸的精度。

關鍵詞：五（wǔ）軸聯動加工中心擺（bǎi）軸檢測

近幾年，我國機械加工（gōng）產業越來越發達，五軸加工技（jì）術得到廣泛應用，特別是在航空航天（tiān）、汽車、精密機械加工以及模具（jù）等產品的（de）曲麵加工中，有著非常好的（de）表現。五軸聯動加工中心相比傳統的（de）三軸加工中心，可（kě）使加工（gōng）刀具在 5 個角（jiǎo）度上進行定位與連接，對加工中心的擺（bǎi）軸有著更高的要求。因此，怎樣科學檢（jiǎn）測（cè）五軸聯動加工中心的擺軸精度值得技術人員思考。

1、簡述五（wǔ）軸聯動

設（shè）備中存（cún）在（zài） 5 個坐標軸，其中有（yǒu） 3 個直線坐標軸，分別是（shì） X 軸、Y 軸、Z 軸，還有（yǒu） 2 個旋轉坐標軸，分別是 C軸和 A 軸。它們被計算機數控係統控製，可（kě）以協調運行並進行數控加工，這樣的設備就是五軸聯動加工（gōng）中心。A 軸同 C 軸組合到（dào）一起。加工過程中，工件被固定到工作台，這時加工中心的 5 個軸可以對除（chú）去底麵外其他 5個麵進行加工。A 軸、C 軸間最小的分度（dù）值通常是 0.001°，還能將工件詳細劃分成任何的角度，進而實現傾斜孔和傾斜麵的加工。A 軸和 C 軸聯合 X、Y、Z 直線軸，能（néng）借助數控係統、伺服係統和（hé）軟件，對更加複雜的空（kōng）間曲麵（miàn）進行（háng）加工。通常看見的立式五軸聯動的加工中心，一般設置 2 個可回轉的軸。其（qí）中，一個為工作台（tái）的回（huí）轉（zhuǎn）軸，軸心線是 X軸方向，±90°進行擺動，是擺軸（zhóu），也（yě）叫做 A 軸；另一個為工作台中間回轉台，環繞著（zhe） Z 軸進（jìn）行 360°的回轉，將其定為 C 軸。在五軸聯（lián）動的加工中心中（zhōng），X、Y、Z 軸和（hé） C 軸需要被檢測精度，主要應用的技術手段比較（jiào）成熟。X、Y、Z軸檢測時，一般以雙頻激光幹涉儀為主（zhǔ）。針對回轉的 C 軸，檢測時以雙頻激光幹涉儀配合回轉分度器進行（háng），還可以（yǐ）用傳統正多麵棱體（tǐ）配合自準直儀實現檢測。

但是，檢測 A 軸時（shí）主要為角分度檢測，儀器可選擇正多麵棱體結（jié）合自準直儀，還可以選（xuǎn）擇雙頻（pín）激光幹涉儀回轉（zhuǎn）分度器。然而，全部依（yī）照 C 軸（zhóu）檢測方法，不能（néng）實現全行程（chéng）之內的測量，這是由於 A 軸會轉動，所以工作台會遮擋部分（fèn）測量（liàng）的光路不能繼續檢測（cè），僅僅能檢測到部分角度，因此不可對 A 軸的全部行程範圍精度（dù）進行（háng）判定。

2、五（wǔ）軸聯動加（jiā）工中心擺軸的（de）檢測

2.1　設計擺軸（zhóu）的全行程（chéng）檢測測量光（guāng）路

因為 A 軸的測量光路會被工作台遮擋，所（suǒ）以需（xū）要重新設計擺軸的測量光路。經研究後得出測量方案，方案（àn）的基本原理：利用升高準直儀與可轉角反射鏡進行（háng）對準，經可以轉角的反射鏡實現 90°的光路轉向，以規避工作台遮擋測量光路的問題，也可以看成在空中（zhōng）角度俯視瞄準到正多麵棱體，進而實現測量。此方案中選（xuǎn）擇 0.5" 的雙軸精密模式自準直（zhí）儀（yí），配合正（zhèng）24 麵的棱體當成測量的主標準。與自準儀配合的迅速找像設施（shī）是激光幹涉（shè）儀（yí）。為更有效（xiào）地保證自準儀可以穩定和可靠地測量讀（dú）數，推薦使用（yòng）主機大、三腳架穩定的 ML10

型號的激光幹涉儀。

2.2　找正調整擺（bǎi）軸的測量光路

找正（zhèng）調整的步驟如下：

一是將加工中心（xīn）的 A 軸的軸心上部密封蓋取下，然後安裝提前製（zhì）作的特殊夾（jiá）具。轉動 A 軸並調整特殊夾具偏心量（liàng），使用打（dǎ）表法調（diào）到 0.02mm 之（zhī）內，安（ān）裝正 24 麵（miàn）的棱體，使 0°的測量麵向上。

二是借助磁性表座，將轉角反（fǎn）射鏡吸附到機床的主軸部位。

三是激光幹涉儀上放置自準直（zhí）儀，調整（zhěng）激光幹涉儀的水平度，使激光束能夠瞄準到可轉角的反射鏡上。緩慢移動，同時左右調動可轉角的反射鏡，也要調整激光幹涉儀的主機俯仰度、左右度、高低位置，使激光束途經正多麵棱體的測量麵反射的光匯入激光幹涉儀所（suǒ）帶（dài）反射孔中。此調節是想讓平行擺放在激光幹涉儀之上自準儀所帶測量光軸與（yǔ）激光束保持平（píng）行。

四是需要使用卷尺測量（liàng）自準直儀物鏡（jìng）中心同激光幹涉儀的出光孔之間的（de）距離，一般為 130mm。然後，減小激光幹涉儀三腳架的工作台（tái）距離，促使自準（zhǔn）直儀的物鏡下降到激光幹涉儀的出光孔所在的位置。

五是左右方向上（shàng）調動（dòng）自準直儀，保證其可以借助可轉角的反射鏡和正多麵棱體的測量麵反射到飛機像。

六（liù）是針對激光三腳（jiǎo）架的左右平移位置和高低升降的位置進行微動調整，保證自準（zhǔn）直（zhí）儀中視場所見反射的飛（fēi）機像最亮，然後進行檢測。

2.3　檢測擺軸全稱精度的方法

將五軸聯動加工中心的擺軸的檢測光（guāng）路（lù）進行正確（què）調整後，可以開始檢測 A 軸的全程精度（dù）。具體的檢測標準和規範很多，如（rú）數（shù）字控製坐標定位精度和重複測定，數控軸線定（dìng）位精度和重複定位精度（dù），GB/T 17421.2-2000 的機床（chuáng）檢驗通則中第 2 部分，VDI ／ DGQ3441

德國機床行業標準等。可以根據用戶的具體要求進行（háng）測量，當自準直儀（yí）的（de）視場中找出通過的正多麵棱體所反射出的（de）飛機像後進行壓線的（de）讀數，間（jiān）隔為 15°，可以（yǐ）從 -90°循環至 +90°。全部行程需要來回測量 5 遍，才能保（bǎo）證測量準確度。假設（shè）依照德國的機床標準進行評價，當（dāng）第一次檢測完畢後，擺軸定位精度是 8.7”時，重複精度是 1.5”，也就有反向量差是 0.6”。

此時的定位精（jīng）度較大，需（xū）要針對精度做一些（xiē）補償處（chù）理。但是，技術人員（yuán）應當知曉，不（bú）同加工中心（xīn）所使（shǐ）用（yòng）的控製係統（tǒng）並不相同，因此在精度補償方麵也不同。常用 HEIDE NHAIN係統經過補償後再次測量精度，擺軸定位精度是 7.2" 時，重複精度（dù）是 1.2"，也就有反向量差是 0.4"，滿（mǎn）足標準。

3、結語（yǔ）

綜上所述，針對五軸聯動加工（gōng）中心一定要實（shí）現全程測量（liàng）擺軸精度，才能更好地進行機械加工，保證（zhèng）加工的精度，提升整（zhěng）體加工的品質。

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