数控机床摆角头回转运动误差分析.docx

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1、数控机床摆角头回转运动误差分析五轴联动是航空工业先进制造技术的重要组成部分，在现代飞机研制生产中具有举足轻重的作用。数控机床的精度水平直接影响着航空先进技术的发展，尤其是制约着现代飞机设计中广泛采用的复杂型面大型整体结构件的推广应用。具有优异性能的飞机钛合金结构件的发展，推动了具有强力加工特性的五轴联动数控机床的技术进步，对数控机床的五轴联动精度提出了越来越高的要求。五轴联动精度的检测五轴联动精度是数控机床性能评价中最重要的指标，能够综合反映机床的制造技术水平。五轴联动机床五轴精度的验收检测一般采取圆锥试件切削加工的方法进行检验，如图1所示。但此检测方法需要工艺编程、试切加工和试件检验等

2、环节。这种方法不仅操作复杂、测试周期长，而且容易带入试件装夹、工艺编程、尺寸和检测等多重误差。由此机床五轴联动的实际精度不能被准确反映出来，误差环节很难准确判定。图1北京航空制造工程研究所A/B摆角立式的五轴试切RTCP（RotationToolCentrePoint，RTCP是五轴数控机床旋转刀具中心编程方法）五轴联动的运动精度检测方法,可以通过对空间任一固定点的旋转运动编程来实现机床五轴插补运算；驱动各个坐标轴联动实现主轴刀具中心绕指定点旋转，实现五轴联动插补的精度检测。RTCP的运动精度，综合了机床各坐标轴的定位精度和插补精度，是机床传动精度、导向精度、闭环/开环控制精度的集中体现

3、，也是对机床的结构刚性、驱动刚性、控制参数合理性等影响因素的综合体现。RTCP运动精度的检测（图2），是通过在机床主轴上安装球头芯棒，使固定在工作台上的检测元件（如百分表或千分表）沿法向触及球头的表面，通过编程驱动各坐标绕球头芯棒的球心旋转运动测得。此检测方法实施简单、方便快捷，而且能够有效避免其他因素带入的干扰误差，是目前五轴数控机床联动精度检测最常用的方法。图2RTCP运动精度的检测数控机床线性轴的传动一般采用齿条或滚珠丝杠传动、光栅尺闭环反馈，用干涉仪进行定位精度和反向误差的补偿，容易达到准确的定位精度和重复定位精度。数控机床线性坐标轴的误差，一般不是五轴联动误差的主要组成部分。数

4、控机床五轴联动的误差，更多的是回转坐标精度不足导致的。回转坐标误差分析数控机床回转坐标精度的测量，在回转坐标能够360°旋转时可以采用多面体棱镜结合激光干涉仪进行，在回转坐标不能够360°旋转时一般采用倾斜仪或高一个精度级别的圆光栅（或角度编码器）进行，然后对相应的传动系统、轴承支承系统等进行必要的调整和控制参数补偿，得到理想的传动精度。数控机床回转坐标的精度考核，一般分为定位精度、重复定位精度和反向误差。从数控机床闭环传动的原理分析，误差的产生主要是闭环圆光栅（或角度编码器）的反馈精度、传动系的分度精度、传动环节的反向间隙、回转轴的配合误差、支承轴承和回转零部件的径向跳动、转心距（回转

5、坐标转动中心到主轴端面的距离）测量不准等因素综合作用的结果。其中反馈元件、传动副和支承轴承的误差因素，可以通过选用精度级别较高的元件来有效解决，回转零件的径向跳动误差可以通过更为严格的机械制造工艺来保证，这些误差因素仅靠机床制造厂商增加相应的生产成本就能够有效避免。回转轴的配合误差，必须采用更为合适的配合公差和适当的轴承预紧来解决，但是配合过紧和预紧过大都会带来回转运动的额外功率损耗，使机床回转轴的空载启动扭矩变大，影响机床的动态性能指标。数控机床回转坐标要获得良好的运行状态，必须通过足够的试验验证使旋转支承轴获得合适的配合精度和恰当的轴承预紧力。转心距测量不准造成的五轴联动误差过大，可

6、以修正转心距的数值重复进行五轴联动精度检测验证，以获得准确的转心距。数控机床回转坐标的运动误差，有相当大的因素是传动环节造成的，主要有传动系分度不均造成定位不准、反向间隙过大导致重复定位精度低和反向误差大。传动系的分度精度可以通过提高相关传动元件的精度来保证；反向间隙则必须对相关机械结构进行调整。数控机床回转轴的传动机构比较典型的是齿轮传动副和蜗杆传动副，能够通过各种机械手段有效地消除传动环节的反向间隙，以实现高精度的坐标回转运动。转心距的测量数控机床回转坐标为主轴旋转的机床，在回转坐标能够±90°旋转时，转心距的测量方法如图3所示。首先，将百分表固定于机床工作台上，用百分表和方尺确定主

7、轴的0°位置，使主轴芯棒（直径D）的侧母线与方尺侧面平行，用百分表测量记录主轴端面的Z向坐标值Z1，保持百分表位置不变，用手动操作方式使主轴旋转90°，使主轴芯棒侧母线与方尺的相邻面平行；然后，手动操作机床相关线性坐标轴运动，使主轴芯棒侧母线最低点触及百分表，记录百分表的Z向坐标值Z2，转心距即为：Z1-Z2+D/2。数控机床回转坐标为主轴旋转的机床，在回转坐标能够±30°旋转时，转心距的测量方法如图4所示。首先，将百分表固定于机床