五轴联动加工中心联动精度检测及优化方法

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五轴联动数控加工中心凭借其加工复杂空间曲面的优良性能，被广泛应用于航空航天、精密机械及高精医疗

设备等行业领域。数控加工中心的加工精度将直接影响加工产品的质量，由于加工中心精度不足而导致加工精度下降的问题日益凸显。所以如何快速高效地识别数控加工中心误差并改善精度已经成为一项非常重要且有意义的研究内容。

常用的加工中心误差测量方法有标准试件切削和仪器检测^M。标准试件切削方法是切削标准试件，通过标准试件的加工精度来表征加工中心的工作精度，常用的标准试件有：美国航天局的NAS979试件^s、日本的四角锥台试件^S和中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司提出的S形检验试件^s。采用试件切削的方法，能够将加工中心本身的加工、安装过程中的缺陷等信息都体现在标准试件上，通过对所加工的试件进行分析，就能对数控加工中心的整体性能进行评价。但是，试件切削的方法需要耗费大量的材料与时间，而且由于多种影响因素之间的耦合作用，导致该检测方法不便于误差溯源，进而难以为提高加工中心的工作精度提供帮助。

常用的检测仪器有激光干涉仪^[5]、球杆仪⁰、R-test测试仪等。激光干涉仪主要用于平动轴的几何误差检测，球杆仪则是广泛应用于旋转轴几何误差检测以及两个平动轴联动时的联动精度。这两种仪器均不能完备地检测五轴加工中心的五轴联动动态精度。使用R-Test测量时，将精度球安装在刀轴上，测量装置安装在测量点处，通过测量精度球的实际位置与测量点在3个正交的方向上的偏差来表征加工中心在各位置点的误差。

Masaomi Tsutsumi 和 Akinori Saito 将球杆仪用于测量双转台五轴联动数控加工中心在做四轴联动时主轴和转台之间的相对位移，并建立了轨迹上各点位置误差与相对位移之间的相互对应关系模型，通过两次测量求解出了数控加工中心的8个位置误差E⁷-⁹¹。S. Weik-ert利用新型误差测量工具R - Test测得了五轴联动数控加工中心刀具和工件沿既定轨迹连续运动时；T、F和Z三个方向上的相对误差，通过反解得出数控加工中心在各个轴上的位置误差及其不确定性^[1°^]。Bring mann和W. Knapp ^[11_^12]将R - test测试仪应用于旋转轴位置误差的确定，提出并实现了 3轴联动圆轨迹的检测方案。

五轴联动数控加工中心是在三轴加工中心的基础上添加两个转动轴构成的。随着加工中心转动轴的增加，加工中心误差也增加了由转动轴的运动带来的非线性误差。RTCP功能是目前高档五轴数控加工中心普遍提供的功能，它可以有效地减小由转动轴的运动导致的非线性误差，显
著提高了加工工件的质量。基于球杆仪和R - test的数控加工中心精度测量方法都是基于加工中心RTCP功能，目前这两种测试方法都已经被收录在国际标准ISO10791 -6的修订版中^&3]。

但是ISO标准以及前述的研究中只能部分反映加工中心动态精度，无法完备地反映加工中心动态精度，且ISO检验合格的加工中心，在加工复杂工件时依然存在明显问题。因此,本文提出了一种基于RTCP及S形试件的精度检测的数控加工中心联动精度检测及优化方法。通过对具有形状复杂、开闭角转换等特点的标准S形试件试切，完成对加工中心加工精度的评价。通过加工中心运动制定RTCP检测轨迹检测加工中心精度，分析并搜索存在问题的驱动轴，指导伺服系统控制参数的优化与调整。最后通过对比加工中心调整前后五轴加工中心切削质量，验证了上述方法的有效性和工程实用性。

1五轴加工中心RTCP检测

1.1 RTCP功能简介

RTCP功能是高档五轴联动数控加工中心基本功能之一，它使数控系统自动对旋转轴的运动进行补偿，工件安装位置改变或刀具长度更改时无需重新编程，只需要将编程坐标与名义坐标原点的偏置值（双转台型）或刀具旋摆中心与刀尖点距离（双摆头型）输入到数控系统，就能确保刀具中心点始终位于编程轨迹上。其实现的核心思想为把数控程序中解析得到的各个运动轴的控制指令作为刀位描述信息，而非运动轴运动信息。然后进行坐标变化，变化后的结果作为各轴的运动轴的控制指令。

由图1可知，当RTCP功能开启时，理想情况下,通过五轴联动配合使得刀尖点实际运动轨迹即为数控指令编程轨迹。而未开启时,编程轨迹为刀轴轨迹，这使得刀具中心的平移，产生了非线性运动误差,从而造成数控加工中心加工精度的降低。RTCP功能可以有效地保证运动轨迹为编程轨迹。

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结束语：

针对五轴数控加工中心联动精度，本文提出了一种快速检测及优化方法。利用五轴加工中心RTCP功能，在一条优于ISO标准轨迹的8字形轨迹下检测五轴加工中心联动精度。然后依据刀具刀尖点误差轨迹的表现规律提出了基于轨迹相似性的加工中心动态误差溯源方法。定位到与其他驱动轴不匹配的驱动轴，从而进行快速准确地优化加工中心参数以提升五轴加工中心动态性能。最后，利用具备加工中心性能综合检验能力的S形试件验证检测及溯源优化方案的有效性。

利用本文提出的五轴数控加工中心联动精度检测及优化方法，工作人员可在加工中心维护和维修过程中，快速、全面判断加工中心联动性能是否合格。若不合格，则可以利用溯源方法快速、准确地定位数控加工中心的误差轴，以便于开展有针对性的加工中心参数调整。此外，检测人员可以针对加工中心结构和性能表现,选取特定的检测轨迹(不止是8字形轨迹）检测五轴加工中心联动性能，达到更有针对性的加工中心联动精度检测。

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