五轴加工中心在机测量工件设计

工件实物如图 9 所示，其包括 1 个底座和 3 个不同高度的锥杆。底座为直径 200 mm 的圆盘，锥杆的高度分别为 10、60 和 110 mm。该工件采用可便携式安装结构，便于在转台上灵活布置和固定，从而满足五轴加工中心多姿态情况下的测量。

图 9 旋转轴几何误差测量和辨识工件

工件配合 3 个高精度陶瓷标准球使用。由于在机测量的测针精度极高，为了确保测量结果的准确性和可靠性，标准球必须具备极高的几何精度，要求其直径公差、圆度、公差等级等指标达到微米级别。其表面质量也必须达到非常高的标准，表面光洁度需要经过精细抛光，以避免表面粗糙度对测量结果造成影响。除了几何精度外，其材料特性也应满足可靠性要求，比如热稳定性、结构均匀性、耐腐蚀性、耐磨性、抗静电性等特性。

考虑到上述要求，标准球的材料选用哑光陶瓷，其出厂直径为 20. 001 2 mm, 球的圆度精度 ≤0.25 μm，球下方为不锈钢支撑杆，杆长 23 mm，底部含有 M6 螺纹，可安装在加工工件上作为空间坐标测量中的稳定参考点。

工件在在机测量过程中，受测头接触力以及自身重力载荷共同作用，可能产生微小的弹性弯曲变形，从而引入附加的形位偏差并影响测点坐标的真实性。考虑到在机测头的最小测量分辨率为 1 μm，为避免工件弹性变形成为主导误差源，并确保变形引起的位移不会被误判为真实几何误差，本文将工件最大弯曲变形控制指标设定为不超过 1 μm。该阈值的设定能够保证：在最不利测量姿态与最大测触力条件下，变形误差仍被限制在测量系统分辨能力以内，从而提高测量数据的可重复性与参数辨识结果的可信度。根据式 (25) 可以对锥杆的直径进行初步计算。

其中， $ω$ 为扰度，F为杆顶端受到的轴向力，l为杆的长度，E为材料的弹性模量，I为圆杆截面的惯性矩，第3行中1的单位为μm。

考虑到工件的强度、重量、热稳定性等因素，加工原料选用钢。本次试验分别以模具钢、不锈钢和殷瓦钢这 3 种材料作为加工原材料，表 4 列举了 3 种材料相关的力学参数和物理参数。

表4 3种材料的力学性能和物理性能参数

材料	屈服强度/MPa	弹性模量/GPa	硬度/HRC	热膨胀系数×10⁻⁶/℃
模具钢	800~1200	200~230	45~60	10.0~12.0
不锈钢	200~700	190~210	20~40	16.0~18.0
殷瓦钢	800~1500	200~220	45~60	1.2~1.4

基于上述内容在 NX UG 软件中对设计完成的工件模型进行仿真，如图 10 所示，工件在 90° 姿态时，其结构受力变形最显著，其变形在重力方向的最大值为 0. 79 μm，满足最小变形量的设计原则。因单次测量时间约为 15 min 左右，故不考虑热变形对工件的影响。