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數控機床擺角頭回轉運動誤差分析
閱讀：1086 發(fā)布時間：2022-6-13 五軸聯(lián)動數控機床是航空工業(yè)*制造技術的重要組成部分，在現(xiàn)代飛機研制生產中具有舉足輕重的作用。數控機床的精度水平直接影響著航空*技術的發(fā)展，尤其是制約著現(xiàn)代飛機設計中廣泛采用的復雜型面大型整體結構件的推廣應用。具有優(yōu)異性能的飛機鈦合金結構件的發(fā)展，推動了具有強力加工特性的五軸聯(lián)動數控機床的技術進步，對數控機床的五軸聯(lián)動精度提出了越來越高的要求。
五 軸聯(lián)動精度的檢測
五軸聯(lián)動精度是數控機床性能評價中最重要的指標，能夠綜合反映機床的制造技術水平。
五軸聯(lián)動機床五軸精度的驗收檢測一般采取圓錐試件切削加工的方法進行檢驗，如圖1所示。但此檢測方法需要工藝編程、試切加工和試件檢驗等環(huán)節(jié)。這種方法不僅操作復雜、測試周期長，而且容易帶入試件裝夾、工藝編程、刀具尺寸和檢測等多重誤差。由此機床五軸聯(lián)動的實際精度不能被準確反映出來，誤差環(huán)節(jié)很難準確判定。
圖1 北京航空制造工程研究所A/B擺角立式加工中心的五軸試切
RTCP（Rotation Tool CentrePoint，RTCP是五軸數控機床旋轉刀具中心編程方法）五軸聯(lián)動的運動精度檢測方法， 可以通過對空間任一固定點的旋轉運動編程來實現(xiàn)機床五軸插補運算；驅動各個坐標軸聯(lián)動實現(xiàn)主軸刀具中心繞點旋轉，實現(xiàn)五軸聯(lián)動插補的精度檢測。RTCP的運動精度，綜合了機床各坐標軸的定位精度和插補精度，是機床傳動精度、導向精度、閉環(huán)/開環(huán)控制精度的集中體現(xiàn)，也是對機床的結構剛性、驅動剛性、控制參數合理性等影響因素的綜合體現(xiàn)。
RTCP運動精度的檢測（圖2），是通過在機床主軸上安裝球頭芯棒，使固定在工作臺上的檢測元件（如百分表或千分表）沿法向觸及球頭的表面，通過編程驅動各坐標繞球頭芯棒的球心旋轉運動測得。此檢測方法實施簡單、方便快捷，而且能夠有效避免其他因素帶入的干擾誤差，是目前五軸數控機床聯(lián)動精度檢測的方法。
圖2 RTCP運動精度的檢測
數控機床線性軸的傳動一般采用齒輪齒條或滾珠絲杠傳動、光柵尺閉環(huán)反饋，用激光干涉儀進行定位精度和反向誤差的補償，容易達到準確的定位精度和重復定位精度。數控機床線性坐標軸的誤差，一般不是五軸聯(lián)動誤差的主要組成部分。數控機床五軸聯(lián)動的誤差，更多的是回轉坐標精度不足導致的。
回轉坐標誤差分析
數控機床回轉坐標精度的測量，在回轉坐標能夠360°旋轉時可以采用多面體棱鏡結合激光干涉儀進行，在回轉坐標不能夠360°旋轉時一般采用傾斜儀或高一個精度級別的圓光柵（或角度編碼器）進行，然后對相應的傳動系統(tǒng)、軸承支承系統(tǒng)等進行必要的調整和控制參數補償，得到理想的傳動精度。
數控機床回轉坐標的精度考核，一般分為定位精度、重復定位精度和反向誤差。從數控機床閉環(huán)傳動的原理分析，誤差的產生主要是閉環(huán)圓光柵（或角度編碼器）的反饋精度、傳動系的分度精度、傳動環(huán)節(jié)的反向間隙、回轉軸的配合誤差、支承軸承和回轉零部件的徑向跳動、轉心距（回轉坐標轉動中心到主軸端面的距離）測量不準等因素綜合作用的結果。
其中反饋元件、傳動副和支承軸承的誤差因素，可以通過選用精度級別較高的元件來有效解決，回轉零件的徑向跳動誤差可以通過更為嚴格的機械制造工藝來保證，這些誤差因素僅靠機床制造廠商增加相應的生產成本就能夠有效避免。
回轉軸的配合誤差，必須采用更為合適的配合公差和適當的軸承預緊來解決，但是配合過緊和預緊過大都會帶來回轉運動的額外功率損耗，使機床回轉軸的空載啟動扭矩變大，影響機床的動態(tài)性能指標。數控機床回轉坐標要獲得良好的運行狀態(tài)，必須通過足夠的試驗驗證使旋轉支承軸獲得合適的配合精度和恰當的軸承預緊力。
轉心距測量不準造成的五軸聯(lián)動誤差過大，可以修正轉心距的數值重復進行五軸聯(lián)動精度檢測驗證，以獲得準確的轉心距。
數控機床回轉坐標的運動誤差，有相當大的因素是傳動環(huán)節(jié)造成的，主要有傳動系分度不均造成定位不準、反向間隙過大導致重復定位精度低和反向誤差大。傳動系的分度精度可以通過提高相關傳動元件的精度來保證；反向間隙則必須對相關機械結構進行調整。
數控機床回轉軸的傳動機構比較典型的是齒輪傳動副和蝸桿傳動副，能夠通過各種機械手段有效地消除傳動環(huán)節(jié)的反向間隙，以實現(xiàn)高精度的坐標回轉運動。
轉心距的測量
數控機床回轉坐標為主軸旋轉的機床，在回轉坐標能夠±90°旋轉時，轉心距的測量方法如圖3所示。
首先，將百分表固定于機床工作臺上，用百分表和方尺確定主軸的0°位置，使主軸芯棒（直徑D）的側母線與方尺側面平行，用百分表測量記錄主軸端面的Z向坐標值Z1，保持百分表位置不變，用手動操作方式使主軸旋轉90°，使主軸芯棒側母線與方尺的相鄰面平行；然后，手動操作機床相關線性坐標軸運動，使主軸芯棒側母線點觸及百分表，記錄百分表的Z向坐標值Z2，轉心距即為：Z1-Z2+D/2。
數控機床回轉坐標為主軸旋轉的機床，在回轉坐標能夠±30°旋轉時，轉心距的測量方法如圖4所示。
首先，將百分表固定于機床工作臺上，用百分表和方尺確定主軸的0°位置，擺動主軸處于+30°位置使安裝于主軸的球頭芯棒的點觸及百分表，記錄橫向坐標值X1，同時保持百分表位置不變；然后，操作擺角旋轉使主軸處于-30°位置并手動操作橫向坐標軸運動使安裝于主軸的球頭芯棒的點觸及百分表，記錄橫向坐標值X2，球頭芯棒球心到主軸端面的距離記為L， 則轉心距即為：|X1-X2|-L。
回轉坐標傳動系的反向間隙
回轉軸為機械傳動的五軸聯(lián)動數控機床，往往在長時間使用后因各種原因使反向間隙變大，影響回轉軸的運行精度，直接反映為五軸聯(lián)動加工的零件尺寸超差、表面粗糙度降低等。
回轉坐標傳動常用的消除反向間隙的機械裝置，主要有齒輪副和蝸桿副2種。
齒輪傳動消隙機構分為直齒輪、斜齒輪和雙齒輪傳動3種。
直齒輪消隙機構為偏心法原理，主動齒輪安裝于伺服電機的輸出軸上，從動齒輪安裝在傳動軸上，電機的止口通過偏心套與傳動箱體孔配合，通過轉動偏心套一定角度改變齒輪的中心距，減小齒側間隙。
斜齒輪消隙機構為軸向位移原理，通過改變齒輪軸上的墊片厚度，減小輪齒的嚙合間隙，提高傳動精度。斜齒輪墊片消隙的另一種機構（圖5），是將相互嚙合的斜齒輪中的一個分成兩瓣結構，通過調整中間墊片的厚度使兩瓣齒輪的軸向距離發(fā)生變化，分別貼緊嚙合齒輪的輪齒兩側，消除齒輪嚙合的間隙。
圖5 墊片消隙兩瓣式斜齒輪
雙齒輪消隙機構（圖6），是用安裝在一個軸上的2個螺旋方向相反的斜齒輪，通過預緊分別同另外兩斜齒輪嚙合輸出，同時與從動齒條（或大齒輪）的輪齒兩側貼合進行嚙合傳動。
圖6 雙齒輪消隙機構
以上齒輪傳動消隙機構，結構簡單、調整方便，但必須保證齒輪的制造精度，且磨損后間隙不能自動補償。
蝸輪蝸桿傳動機構常采用變導程蝸桿蝸輪副、雙蝸桿蝸輪副和分體蝸桿副結構等方法。
由于變導程蝸桿蝸輪的加工刀具制造困難，精度不高，采用較少。
圖7 北京航空制造工程研究所A/B擺角立式加工中心
雙蝸桿蝸輪機構精度好、傳遞扭矩大，但是占用空間大，設計使用的成本較高。北京航空制造工程研究所研制的五坐標A/B擺角立式加工中心（圖7）和意大利RAMBAUDIRAMMATIC系列機床（圖8）的擺角傳動均采用雙蝸桿蝸輪消隙傳動機構，在航空結構件加工中均成功應用。兩者區(qū)別是前者采用在蝸桿軸端加一定彈性預載，既保證精確傳動又能有效避免傳動鏈在切削力異常時的剛性沖擊，能夠確保擺角傳動長期使用仍能保持良好的傳動精度，并取得“機械驅動形式的帶機械主軸的A/B擺角數控銑頭”專有證書；后者采用一蝸輪旋轉微小角度消除與蝸桿的嚙合間隙后剛性固定的方式進行精確回轉運動，此種消除間隙方法容易隨著機床的長期使用磨損而效果變差。
分體蝸桿傳動結構如圖9所示，蝸桿制造成兩體結構1和2， 中間部分的齒由C和D2個半齒組成，裝配時蝸桿套1固定，蝸桿軸2按圖示方向轉動微小角度，保證使齒側C貼緊蝸輪的齒側A、齒側D貼緊蝸輪的齒側B，消除嚙合間隙。由于改變了蝸桿傳動齒的整體性，傳動時嚙合齒厚相對減少了一半，傳遞扭矩較小。目前，西班牙PM-60和德國UNISPEED3系列機床采用此種結構。
以上機械結構理論上能夠有效消除傳動誤差和反向間隙，但還不能*航空結構件的數控加工精度要求，實際工程應用中還需要通過對控制系統(tǒng)的相關參數進行補償修正，獲得更高的傳動定位精度和更小的反向誤差。
結束語
數控機床的回轉運動誤差的檢測與調整，是一項異常復雜的系統(tǒng)工程，需要在機床的研制生產和應用實踐中不斷探索。本文作者根據實際工作經驗，淺談了用于航空領域的數控機床回轉軸誤差的分析，為相關類型機床相應誤差因素的排查提供參考依據，為未來機床*制造技術的發(fā)展盡微薄之力。
數控機床的五軸聯(lián)動誤差分析，還有許多問題需要研究和攻關。高檔五軸聯(lián)動數控機床在航空*制造領域的性能發(fā)揮和工程應用水平的提高，任重而道遠。(end)