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五軸聯(lián)動加工中心擺軸的檢測分析

2021-2-24 來源：中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任作者：陳亞林　張續(xù)林　張瑞

摘要：隨著五軸聯(lián)動加工中心在機(jī)械加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對于五軸聯(lián)動加工中心擺軸的檢測受到技術(shù)人員的關(guān)注。傳統(tǒng)測量方法受測量光路被遮擋的影響，不能實(shí)現(xiàn)全程測量。因此，提出了針對擺軸的測量光路和方法，旨在保證全程測量擺軸的精度。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動加工中心擺軸檢測

近幾年，我國機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)越來越發(fā)達(dá)，五軸加工技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，特別是在航空航天、汽車、精密機(jī)械加工以及模具等產(chǎn)品的曲面加工中，有著非常好的表現(xiàn)。五軸聯(lián)動加工中心相比傳統(tǒng)的三軸加工中心，可使加工刀具在 5 個角度上進(jìn)行定位與連接，對加工中心的擺軸有著更高的要求。因此，怎樣科學(xué)檢測五軸聯(lián)動加工中心的擺軸精度值得技術(shù)人員思考。

1、簡述五軸聯(lián)動

設(shè)備中存在 5 個坐標(biāo)軸，其中有 3 個直線坐標(biāo)軸，分別是 X 軸、Y 軸、Z 軸，還有 2 個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，分別是 C軸和 A 軸。它們被計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制，可以協(xié)調(diào)運(yùn)行并進(jìn)行數(shù)控加工，這樣的設(shè)備就是五軸聯(lián)動加工中心。A 軸同 C 軸組合到一起。加工過程中，工件被固定到工作臺，這時加工中心的 5 個軸可以對除去底面外其他 5個面進(jìn)行加工。A 軸、C 軸間最小的分度值通常是 0.001°，還能將工件詳細(xì)劃分成任何的角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傾斜孔和傾斜面的加工。A 軸和 C 軸聯(lián)合 X、Y、Z 直線軸，能借助數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和軟件，對更加復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行加工。通常看見的立式五軸聯(lián)動的加工中心，一般設(shè)置 2 個可回轉(zhuǎn)的軸。其中，一個為工作臺的回轉(zhuǎn)軸，軸心線是 X軸方向，±90°進(jìn)行擺動，是擺軸，也叫做 A 軸；另一個為工作臺中間回轉(zhuǎn)臺，環(huán)繞著 Z 軸進(jìn)行 360°的回轉(zhuǎn)，將其定為 C 軸。在五軸聯(lián)動的加工中心中，X、Y、Z 軸和 C 軸需要被檢測精度，主要應(yīng)用的技術(shù)手段比較成熟。X、Y、Z軸檢測時，一般以雙頻激光干涉儀為主。針對回轉(zhuǎn)的 C 軸，檢測時以雙頻激光干涉儀配合回轉(zhuǎn)分度器進(jìn)行，還可以用傳統(tǒng)正多面棱體配合自準(zhǔn)直儀實(shí)現(xiàn)檢測。

但是，檢測 A 軸時主要為角分度檢測，儀器可選擇正多面棱體結(jié)合自準(zhǔn)直儀，還可以選擇雙頻激光干涉儀回轉(zhuǎn)分度器。然而，全部依照 C 軸檢測方法，不能實(shí)現(xiàn)全行程之內(nèi)的測量，這是由于 A 軸會轉(zhuǎn)動，所以工作臺會遮擋部分測量的光路不能繼續(xù)檢測，僅僅能檢測到部分角度，因此不可對 A 軸的全部行程范圍精度進(jìn)行判定。

2、五軸聯(lián)動加工中心擺軸的檢測

2.1　設(shè)計(jì)擺軸的全行程檢測測量光路

因?yàn)?A 軸的測量光路會被工作臺遮擋，所以需要重新設(shè)計(jì)擺軸的測量光路。經(jīng)研究后得出測量方案，方案的基本原理：利用升高準(zhǔn)直儀與可轉(zhuǎn)角反射鏡進(jìn)行對準(zhǔn)，經(jīng)可以轉(zhuǎn)角的反射鏡實(shí)現(xiàn) 90°的光路轉(zhuǎn)向，以規(guī)避工作臺遮擋測量光路的問題，也可以看成在空中角度俯視瞄準(zhǔn)到正多面棱體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量。此方案中選擇 0.5" 的雙軸精密模式自準(zhǔn)直儀，配合正24 面的棱體當(dāng)成測量的主標(biāo)準(zhǔn)。與自準(zhǔn)儀配合的迅速找像設(shè)施是激光干涉儀。為更有效地保證自準(zhǔn)儀可以穩(wěn)定和可靠地測量讀數(shù)，推薦使用主機(jī)大、三腳架穩(wěn)定的 ML10

型號的激光干涉儀。

2.2　找正調(diào)整擺軸的測量光路

找正調(diào)整的步驟如下：

一是將加工中心的 A 軸的軸心上部密封蓋取下，然后安裝提前制作的特殊夾具。轉(zhuǎn)動 A 軸并調(diào)整特殊夾具偏心量，使用打表法調(diào)到 0.02mm 之內(nèi)，安裝正 24 面的棱體，使 0°的測量面向上。

二是借助磁性表座，將轉(zhuǎn)角反射鏡吸附到機(jī)床的主軸部位。

三是激光干涉儀上放置自準(zhǔn)直儀，調(diào)整激光干涉儀的水平度，使激光束能夠瞄準(zhǔn)到可轉(zhuǎn)角的反射鏡上。緩慢移動，同時左右調(diào)動可轉(zhuǎn)角的反射鏡，也要調(diào)整激光干涉儀的主機(jī)俯仰度、左右度、高低位置，使激光束途經(jīng)正多面棱體的測量面反射的光匯入激光干涉儀所帶反射孔中。此調(diào)節(jié)是想讓平行擺放在激光干涉儀之上自準(zhǔn)儀所帶測量光軸與激光束保持平行。

四是需要使用卷尺測量自準(zhǔn)直儀物鏡中心同激光干涉儀的出光孔之間的距離，一般為 130mm。然后，減小激光干涉儀三腳架的工作臺距離，促使自準(zhǔn)直儀的物鏡下降到激光干涉儀的出光孔所在的位置。

五是左右方向上調(diào)動自準(zhǔn)直儀，保證其可以借助可轉(zhuǎn)角的反射鏡和正多面棱體的測量面反射到飛機(jī)像。

六是針對激光三腳架的左右平移位置和高低升降的位置進(jìn)行微動調(diào)整，保證自準(zhǔn)直儀中視場所見反射的飛機(jī)像最亮，然后進(jìn)行檢測。

2.3　檢測擺軸全稱精度的方法

將五軸聯(lián)動加工中心的擺軸的檢測光路進(jìn)行正確調(diào)整后，可以開始檢測 A 軸的全程精度。具體的檢測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范很多，如數(shù)字控制坐標(biāo)定位精度和重復(fù)測定，數(shù)控軸線定位精度和重復(fù)定位精度，GB/T 17421.2-2000 的機(jī)床檢驗(yàn)通則中第 2 部分，VDI ／ DGQ3441

德國機(jī)床行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。可以根據(jù)用戶的具體要求進(jìn)行測量，當(dāng)自準(zhǔn)直儀的視場中找出通過的正多面棱體所反射出的飛機(jī)像后進(jìn)行壓線的讀數(shù)，間隔為 15°，可以從 -90°循環(huán)至 +90°。全部行程需要來回測量 5 遍，才能保證測量準(zhǔn)確度。假設(shè)依照德國的機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，當(dāng)?shù)谝淮螜z測完畢后，擺軸定位精度是 8.7”時，重復(fù)精度是 1.5”，也就有反向量差是 0.6”。

此時的定位精度較大，需要針對精度做一些補(bǔ)償處理。但是，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，不同加工中心所使用的控制系統(tǒng)并不相同，因此在精度補(bǔ)償方面也不同。常用 HEIDE NHAIN系統(tǒng)經(jīng)過補(bǔ)償后再次測量精度，擺軸定位精度是 7.2" 時，重復(fù)精度是 1.2"，也就有反向量差是 0.4"，滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3、結(jié)語

綜上所述，針對五軸聯(lián)動加工中心一定要實(shí)現(xiàn)全程測量擺軸精度，才能更好地進(jìn)行機(jī)械加工，保證加工的精度，提升整體加工的品質(zhì)。

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