论五轴加工中心旋转轴几何误差的现状

高端五轴加工中心凭借其多自由度加工能力，在航天航空、汽车和精密模具等领域的复杂零件制造中发挥着关键作用 [1]。然而，在旋转轴的制造和安装过程中，由于制造精度和装配精度等因素的影响，刀具在空间中的实际位置与理想位置存在偏差，从而导致工件在加工过程中产生形位误差，这直接影响到机床的加工精度。另一方面，随着机床在高负荷、高频率的工作环境中，机械部件会发生逐渐磨损、变形、意外碰撞等情况，导致各部件之间的配合精度降低，从而影响机床整体的加工精度。因此，定期对机床精度评估是非常有必要的，国际标准化组织 ( International Organization for Standardization, ISO) 在 ISO 230‑2 准则中也强调了 “定期检验” 的重要性 [2‑3]。因此，随着对加工精度要求的不断提高，几何误差的高效测量与辨识成为提升高精密五轴机床性能的关键问题 [4]。为有效避免因机床精度误差导致的零件缺陷和成本增加，众多学者已开展了旋转轴几何误差测量与辨识的深入研究。

加工中心上常用的高精度测量仪器有激光干涉仪 [5‑6]、R‑test [7‑8]、球杆仪 [9‑11]、激光跟踪仪 [12‑13]、在机测头 [14‑15] 等。旋转轴几何误差呈现为相互耦合的形式，因此需要采用误差分离算法对包含的各个单项几何误差进行解耦与辨识。激光干涉仪一般用于直线轴的误差测量，针对于旋转轴，皮世威等 [16] 提出一种旋转轴与平动轴联动的测量方法，实现了对 AC 双转台和 BC 摆头转台型五轴机床旋转轴转角度误差的测量。该方法虽然能测量旋转轴的关键转角误差，但是对机床的构型有一定要求且难以将全部综合误差进行分离。R‑test 是一种针对于旋转轴的误差测量方法，其测量仪器主要由高精度位移传感器和配套的精密测量球组成，通过测量机床运动后的球心位置变化完成空间误差的测量。Ibaraki 等 [17] 提出了用 R‑test 自动测量旋转轴的静态误差和运动误差的方法。球杆仪是一种新型的高精度测量仪器，可用于空间误差的校准、三坐标机的精度检测和旋转轴相关误差的测量 [18]，相比于 R‑test 测量设备，其价格相对便宜且方便购置。Tsutsumi 等 [11] 提出了一种经典的测量旋转轴静态误差的方法，通过设计 3 种不同的运动模式，让机床在空间中做插补运动，分析球杆仪测量出的圆轨迹与标准轨迹的偏心率最终分离出所有静态误差。在此基础上，Wang 等 [19] 提出了一种基于解析式而非计算偏心率的解耦方法。除此之外，研究人员还提出激光跟踪干涉仪测量方案 [20] 和视觉测量方案 [21‑22] 的方法。以上方法的试验较为复杂，在同时测量静态误差和运动误差时存在一定局限性，由于大部分方案的测量过程依赖高精度仪器，其不仅价格相对较高，并且机床系统集成有一定难度，对操作人员的专业知识水平有较高要求。

近年来，越来越多的机床集成了在机测量系统，相比于上述测量仪器，其精度虽然难以达到同一水平，但可以满足高精度机床的几何误差测量要求，且非常适合进行短时间、周期性的精度检查。目前基于测头的在机测量方法已被广泛应用于加工中心误差的检测与评定领域。Ibaraki 等 [17] 在该领域开展了系统而深入的研究，并于 2012 年提出了一种利用接触式测头对矩形特征的标准件进行在机测量的方法 [17]，通过相应的误差辨识算法实现对旋转轴各项几何误差的求解。Los 等提出一种基于标准球体件的测量方法，用于识别旋转轴轴线的偏移误差，并采用蒙特卡罗方法对相关几何误差参数的不确定度进行了评估。此外，在考虑机床实际负载工况的情况下，常通过切削试件与在机测头相结合的方式，对机床误差进行测量和辨识。在工业生产中，较为广泛采用的是由美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 提出的 NAS949 试件，主要用于三轴机床的精度评估，试件的特征结构包括圆孔、四棱台、圆锥台和菱形等；后有研究者提出锥台试件，但该试件对五轴机床的误差测量有一定局限性；项四通团队 [23‑25] 分别提出基于错位塔型工件和双特征槽工件的在机测量检测方法。

然而，基于切削特征工件的测量方法仍然存在一定的局限性。一方面，为了放大几何误差对切削特征工件的影响，通常需要设计具有较大平面或较深切削特征的工件，这一过程中不可避免地引入了除几何误差外的其他误差源，例如刀具误差、工件误差以及直线轴几何误差等，这些因素对误差辨识精度产生了显著干扰。另一方面，为了求解旋转轴的所有几何误差项，需要针对不同类型的切削特征工件设计专门的误差求解算法和不同的测量模式，对于不同构型或尺寸的机床，其测量与误差辨识的复杂性和时间消耗较大，进一步增加了方法应用的难度和实际操作的挑战。

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